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中國科學院物理研究所 EX9組供稿 第77期 2019年12月02日
北京凝聚態物理國家研究中心
拓撲半金屬的大橫向熱電效應和潛在應用

  熱電材料可以實現溫差和電能的直接相互轉換。作爲新型能源和制冷材料,熱電材料具有無振動,無噪音,無需維護,可集成化等一系列優點,在空間技術,微電子與信息技術等領域具有廣泛的應用前景。但是,當前熱電材料的轉換效率仍然較低,限制了其應用範圍。傳統熱電材料主要是摻雜的窄帶隙半導體,其效率受制于若幹基礎物理原因。其中兩個方面尤其重要:一方面,電子空穴的熱電效應符號相反,二者相互補償降低了材料的總熱電效應。另一方面,Wiedemann-Franz定律決定了電導和熱導的大致比例,二者無法獨立優化。

  热电输运系数是一个张量,而目前的热电材料设计仅仅考虑了纵向效应,即温差和电压平行的热电输运。二者垂直的横向热电效应一般情况下非常小,况且通常需要外磁场,很少被人关注。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心极端条件实验室项俊森博士、孙培杰研究員和超导实验室陈根富研究員的最新合作研究表明,狄拉克半金属砷化镉Cd3As2在一個小的磁場中存在著一個很大的橫向熱電(能斯特)效應,室溫下可以獲得高達0.5(2T)的橫向熱電優值zT(參考圖一)。該結果意味著在拓撲電子材料中,溫差和電壓相互垂直的橫向熱電效應遠比我們以往所想象的要大,熱電材料的應用並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,我們可以巧妙地“繞過”傳統熱電效應的上述困難,並且將其轉化爲橫向熱電效應的獨特優勢。

  如图二所示,横向热电效应不再区分电子和空穴,二者的效应等价并相互叠加,电荷空穴补偿导致增强的横向热电效应。在实际应用中,不再需要n型和p型材料的串联结构。另外,由于热流和电流方向垂直,Wiedemann-Franz定律的限制被解除,我们可以相对独立地优化电导和热导。更加重要的是,拓扑材料的能带结构所导致的贝利曲率可以产生额外的反常横向热电效应,其大小可以通过改变费米能而进行调节。对拓扑半金属而言,产生大横向热电效应需要的外磁场原则上可以很小,普通稀土永磁体的磁场可能已经足够大。如果进一步考虑具有磁性的拓扑体系时,巨大的横向热电效应甚至可以在零磁场下出现,而不依赖于任何外加磁场。这将极大地丰富该效应的潜在应用场景。相关结果近期发表于 Sci. China-Phys. Mach. Astron. 63, 237011 (2020)。

  该杂志还同期发表了陈仙辉院士对该工作的评論文章,指出拓扑半金属的巨大横向热电效应可能是该类材料的普适现象。正像很多拓扑半金属的横向霍尔电导可以远远大于常规的纵向电导率一样,其横向热电效应也可以远大于常规的纵向热电效应。这一点值得相关实验和理论研究者的关注,对于探索新型热电材料和寻找拓扑材料的相关应用具有重要意义。以上工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划和中科院B类先导专项的资助。

圖一:橫向和縱向熱電優值隨磁場的變化(左)和二者峰值隨溫度的變化(右)。
圖二:傳統縱向熱電效應(a)和新型橫向熱電效應(b)的利用示意圖。
下載附件>> SCPMA63(2020)237011.pdf
下載附件>> SCPMA63(2020)237031.pdf
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