進展 | 拓撲半金屬的大橫向熱電效應和潛在應用

2021-02-24 中科院物理所

熱電材料可以實現溫差和電能的直接相互轉換。作為新型能源和製冷材料，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，其效率受制於若干基礎物理原因。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。

熱電輸運係數是一個張量，而目前的熱電材料設計僅僅考慮了縱向效應，即溫差和電壓平行的熱電輸運。二者垂直的橫向熱電效應一般情況下非常小，況且通常需要外磁場，很少被人關注。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件實驗室項俊森博士、孫培傑研究員和超導實驗室陳根富研究員的最新合作研究表明，狄拉克半金屬砷化鎘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像的要大，熱電材料的應用並不一定要局限於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，並且將其轉化為橫向熱電效應的獨特優勢。

如圖二所示，橫向熱電效應不再區分電子和空穴，二者的效應等價並相互疊加，電荷空穴補償導致增強的橫向熱電效應。在實際應用中，不再需要n型和p型材料的串聯結構。另外，由於熱流和電流方向垂直，Wiedemann-Franz定律的限制被解除，我們可以相對獨立地優化電導和熱導。更加重要的是，拓撲材料的能帶結構所導致的貝利曲率可以產生額外的反常橫向熱電效應，其大小可以通過改變費米能而進行調節。對拓撲半金屬而言，產生大橫向熱電效應需要的外磁場原則上可以很小，普通稀土永磁體的磁場可能已經足夠大。如果進一步考慮具有磁性的拓撲體系時，巨大的橫向熱電效應甚至可以在零磁場下出現，而不依賴於任何外加磁場。這將極大地豐富該效應的潛在應用場景。相關結果近期發表於

Sci. China-Phys. Mach. Astron. 63, 237011 (2020)。

該雜誌還同期發表了陳仙輝院士對該工作的評論文章，指出拓撲半金屬的巨大橫向熱電效應可能是該類材料的普適現象。正像很多拓撲半金屬的橫向霍爾電導可以遠遠大於常規的縱向電導率一樣，其橫向熱電效應也可以遠大於常規的縱向熱電效應。這一點值得相關實驗和理論研究者的關注，對於探索新型熱電材料和尋找拓撲材料的相關應用具有重要意義。以上工作得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃和中科院B類先導專項的資助。

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。

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