《自然—材料》:拓撲相變用於提高熱電優值—新聞—科學網

2020-11-26 科學網
《自然—材料》：拓撲相變用於提高熱電優值
或為解決手機發熱帶來曙光

 

10月7日，《自然—材料》在線發表題為「Enhancement of thermoelectric performance across the topological phase transition in dense lead selenide」的研究長文。北京高壓科學研究中心的研究人員與中美科學家合作利用壓縮晶格誘發拓撲相變，在室溫下將鉻摻雜的鉛硒體系的熱電優值提高到1.7，遠高於此前普遍認可的室溫最高值。這一發現不僅提供了一種提高熱電優值的新方法，也為未來熱電材料在室溫下的技術應用，特別是解決手機相關微電子器件的發熱問題帶來曙光。

熱電材料是一種直接將熱能和電能相互轉換的功能材料，可用於發電和製冷，具有傳統發電機和制冷機難以媲美的優點，如尺寸小、質量輕、響應快、壽命長，環境友好、工作無震動、無噪聲，以及可精確控溫等。其轉化效率由熱電優值確定。研究發現，一旦該值大於3，熱電器件的轉化效率將可能超過30%，這與煤、石油等傳統燃料的轉換效率幾乎相當。因此，尋找有效的方法提高熱電優值是熱電研究追求的重要目標。歷史上，室溫下最高熱電優值長期在1附近徘徊，而解決像手機這類微電子器件的發熱問題，迫切需要顯著提高室溫下的熱電優值。

研究者選擇1%鉻摻雜的硒化鉛（Pb0.99Cr0.01Se）作為研究對象，藉助於一種叫金剛石對頂砧的高壓裝置，通過自主研發的高壓熱電性質綜合測量系統，獲得了熱電優值隨壓力變化像山峰一樣的表現形狀。他們發現，在施加壓力作用下，熱電優值先是像爬坡一樣增加，到3萬大氣壓附近達到最高值1.7，而後隨著壓力的進一步增加而緩慢下降。

通過比較實驗和理論結果，研究者發現在熱電優值最佳表現的地方材料發生了拓撲相變，由最初的帶狀絕緣體轉變成拓撲晶體絕緣體。而後者作為一種新型的量子現象，是近年來材料科學和凝聚態物理關注的一個焦點。該項研究將熱電效應與拓撲絕緣體關聯起來，同時發現了實現拓撲絕緣態的新途徑，即採用壓縮晶格這一潔淨有效的方法。

「由於大部分熱電材料都是拓撲絕緣體，儘管熱電錶現與拓撲絕緣特性的關係尚待進一步認識，但我們這項研究為優化熱電材料的性能提供了一個新思路，有望為熱電材料的實際應用起到推動作用。」論文通訊作者、北京高壓科學研究中心研究員陳曉嘉解釋說。

該論文第一作者是北京高壓科學研究中心博士生陳劉城，該中心李偉健同學負責理論計算。其他合作者包括哈爾濱工業大學（深圳）張倩教授，美國休斯敦大學超導中心主任、著名熱電研究專家任志鋒教授，以及華盛頓卡內基研究院和麻省理工學院的學者。

該項研究受到國家科技部重點研發計劃的支持。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0499-9

 

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