中科大陳仙輝教授團隊在提升熱電材料轉換效率的研究中有重要進展。

 

環(huán)境和能源問題目前是困擾人類的大問題。以熱電材料為核心的熱電轉換技術能不依靠任何外力的將“熱”與“電”兩種不同形態(tài)的能量直接相互轉化，且不產生環(huán)境污染，因而一直備受人們的廣泛關注。然而，目前熱電材料能量轉換效率仍較低，不能得到廣泛應用。最近，中國科學技術大學陳仙輝教授團隊在提升熱電材料轉換效率的研究中取得重要進展，相關研究成果發(fā)表在《Science Bulletin》上。

 

圖1：基本熱電參數(shù)熱電勢、電導率（電阻率的倒數(shù)）、熱導率和品質因子對載流子濃度依賴關系（SnyderGJ, Toberer ES. Complex thermoelectric materials. Nat Mater 2008;7:105–14）

 

熱電材料的效率可以用無量綱量ZT=S2T/ρκ表征，其中S、T、ρ和κ分別為熱電勢（Seebeck系數(shù)）、絕對溫度、電阻率和熱導率。熱導率包括電子貢獻和聲子貢獻。ZT越高越好，ZT>1具有商業(yè)使用價值的潛力，ZT>2具有大規(guī)模商業(yè)使用的潛力，ZT>3.5時熱電材料的效率已經接近壓縮機 [Ref. Science, 357, 2017, J. He, T. Tritt]。好的熱電材料需要具有高的熱電勢、低的電阻率和熱導率。而熱電勢和電阻率一般通過費米能級、載流子散射機制及能帶結構聯(lián)系到一起，不能完全相互獨立變化，通常其演變趨勢在ZT中產生一定程度的相互抵消的效果。同時電阻率和電子熱導率還通過魏德曼-弗蘭茲定律(Wiedemann-Franz Law)聯(lián)系在一起，同樣不能相互獨立變化，對ZT的優(yōu)化產生一定程度的相互抵消的效果。對一般的半導體材料來講，ZT會在某一個載流子濃度時達到一個極大值（見圖1），要超越這個極大值將是很困難的事情。人們通常通過優(yōu)化能帶結構以提高所能獲得的最大S2/ρ（功率因子），而通過低維化、增加散射中心等方法（所謂的“聲子工程”）來減小晶格熱導率。即使經過了60多年的努力，ZT的提高仍然有限，遠不能達到規(guī)模化應用的程度。因此探索新的熱電輸運物理，發(fā)展新的途徑去提升ZT是當務之急。

 

近年來，凝聚態(tài)物理領域中拓撲材料研究和拓撲物理學的發(fā)展非常引入關注。人們已經發(fā)現(xiàn)一些性能較好的熱電材料，如Bi2Te3、Sb2Te3和SnTe等，也同時具有拓撲性質。拓撲狄拉克半金屬Cd3As2相較于一般金屬和半導體有一定的熱電性能，350K附近ZT可以達到0.15，但是否可以利用其能帶的拓撲性質進一步提高熱電性能并探索新的輸運物理，是熱電和拓撲物理研究都關注的問題。陳仙輝老師注意到Cd3As2的拓撲特性導致該材料的體相電子態(tài)具有線性色散關系，從而具有非常小的有效質量及非常高的載流子遷移率，輸運性質對磁場響應強烈。因此，很自然的考慮在Cd3As2中利用磁場調控熱電性能。陳仙輝團隊在實驗上通過磁場調控電阻率、熱電勢和熱導率的行為，發(fā)現(xiàn)電阻率雖然隨著磁場快速增加，熱電勢也同樣的以大大的提升，更有意思的是熱導率的電子貢獻部分占總熱導率很大比例，且能被磁場快速壓制，綜合結果使得ZT在磁場中獲得大大提升，特別在350K時7特斯拉的磁場可以使ZT達到了1.1，提高近6.5倍（見圖2）。這個性能可媲美于目前的室溫商用熱電材料Bi2Ti3，其性能在室溫附近為ZT~1。

 

為了對于實驗結果進行一個深入的物理解釋，陳仙輝團隊還基于半經典的玻爾茲曼輸運理論做了性能計算和輸運物理探索。初步結果表明，由于Cd3As2體相電子態(tài)具有線性的色散關系，載流子有效質量接近于0，從而相較于一般金屬和半導體具有非常大的載流子遷移率，外加磁場可以有效抑制電子對總熱導率的貢獻。這是因為總熱導率分為電子熱導率和晶格熱導率兩部分，而電子熱導率通常在半金屬材料中占主要優(yōu)勢，因此磁場導致高遷移率載流子的局域化運動加強，導致高載流子遷移率材料的電子熱導率抑制作用明顯，降低了總熱導率。與此同時，該磁場效應同時大幅度提升材料材料的熱電勢，導致ZT的數(shù)倍提升。

 

陳仙輝團隊的工作已于5月發(fā)表于《ScienceBulletin》。實驗結果第一次清晰的表明，在拓撲材料中存在新的熱電輸運物理現(xiàn)象，并能夠實現(xiàn)熱電性能的明顯提高。該研究成果將為研究探索新型高效熱電材料提供了新思路，對推進熱電材料廣泛應用具有重要意義。幾乎與此同時，麻省理工學院科學家的理論工作預言拓撲材料在磁場作用下的新奇熱電效應。理論結果預言，在超高載流子遷移率材料中，如具有線性色散關系的PbSnSe固溶體材料，通過施加強磁場，有可能產生新的量子效應，實現(xiàn)材料ZT值的數(shù)倍提升。

 

該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃重點專項、國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研發(fā)計劃項目以及合肥大科學中心的資助。