中國(guó)粉體網(wǎng)訊 熱電材料可以實(shí)現(xiàn)溫差和電能的直接相互轉(zhuǎn)換。作為新型能源和制冷材料，熱電材料具有無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、無(wú)需維護(hù)、可集成化等一系列優(yōu)點(diǎn)，在空間技術(shù)、微電子與信息技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，當(dāng)前熱電材料的轉(zhuǎn)換效率仍然較低，限制了其應(yīng)用范圍。傳統(tǒng)熱電材料主要是摻雜的窄帶隙半導(dǎo)體，其效率受制于若干基礎(chǔ)物理原因。其中兩個(gè)方面尤其重要：一方面，電子空穴的熱電效應(yīng)符號(hào)相反，二者相互補(bǔ)償降低了材料的總熱電效應(yīng)。另一方面，Wiedemann-Franz定律決定了電導(dǎo)和熱導(dǎo)的大致比例，二者無(wú)法獨(dú)立優(yōu)化。
熱電輸運(yùn)系數(shù)是一個(gè)張量，而目前的熱電材料設(shè)計(jì)僅僅考慮了縱向效應(yīng)，即溫差和電壓平行的熱電輸運(yùn)。二者垂直的橫向熱電效應(yīng)一般情況下非常小，況且通常需要外磁場(chǎng)，很少被人關(guān)注。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心極端條件實(shí)驗(yàn)室博士項(xiàng)俊森、研究員孫培杰和超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室研究員陳根富的最新合作研究表明，狄拉克半金屬砷化鎘Cd3As2在一個(gè)小的磁場(chǎng)中存在著一個(gè)很大的橫向熱電（能斯特）效應(yīng)，室溫下可以獲得高達(dá)0.5（2T）的橫向熱電優(yōu)值z(mì)T（參考圖1）。該結(jié)果意味著在拓?fù)潆娮硬牧现校瑴夭詈碗妷合嗷ゴ怪钡臋M向熱電效應(yīng)遠(yuǎn)比人們以往所想象的要大，熱電材料的應(yīng)用并不一定要局限于溫差和電壓平行的縱向方向。如果利用橫向熱電效應(yīng)，可以巧妙地“繞過(guò)”傳統(tǒng)熱電效應(yīng)的上述困難，并且將其轉(zhuǎn)化為橫向熱電效應(yīng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
如圖2所示，橫向熱電效應(yīng)不再區(qū)分電子和空穴，二者的效應(yīng)等價(jià)并相互疊加，電荷空穴補(bǔ)償導(dǎo)致增強(qiáng)的橫向熱電效應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，不再需要n型和p型材料的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。另外，由于熱流和電流方向垂直，Wiedemann-Franz定律的限制被解除，可以相對(duì)獨(dú)立地優(yōu)化電導(dǎo)和熱導(dǎo)。更加重要的是，拓?fù)洳牧系哪軒ЫY(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的貝利曲率可以產(chǎn)生額外的反常橫向熱電效應(yīng)，其大小可以通過(guò)改變費(fèi)米能而進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)拓?fù)浒虢饘俣�，產(chǎn)生大橫向熱電效應(yīng)需要的外磁場(chǎng)原則上可以很小，普通稀土永磁體的磁場(chǎng)可能已經(jīng)足夠大。如果進(jìn)一步考慮具有磁性的拓?fù)潴w系時(shí)，巨大的橫向熱電效應(yīng)甚至可以在零磁場(chǎng)下出現(xiàn)，而不依賴于任何外加磁場(chǎng)。這將極大地豐富該效應(yīng)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表于Sci. China-Phys. Mach. Astron. 63, 237011 (2020)。
該雜志還同期發(fā)表了陳仙輝院士對(duì)該工作的評(píng)論文章，指出拓?fù)浒虢饘俚木薮髾M向熱電效應(yīng)可能是該類材料的普適現(xiàn)象。正像很多拓?fù)浒虢饘俚臋M向霍爾電導(dǎo)可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)的縱向電導(dǎo)率一樣，其橫向熱電效應(yīng)也可以遠(yuǎn)大于常規(guī)的縱向熱電效應(yīng)。這一點(diǎn)值得相關(guān)實(shí)驗(yàn)和理論研究者的關(guān)注，對(duì)于探索新型熱電材料和尋找拓?fù)洳牧系南嚓P(guān)應(yīng)用具有重要意義。以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)的資助。
圖1：橫向和縱向熱電優(yōu)值隨磁場(chǎng)的變化（左）和二者峰值隨溫度的變化（右）。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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