【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】熱電材料可以實現(xiàn)溫差和電能的直接相互轉(zhuǎn)換。對于遙遠的太空探測器來說，放射性同位素供熱的熱電發(fā)電器供電系統(tǒng)。已被成功的應(yīng)用于美國宇航局發(fā)射的“旅行者一號”和“伽利略火星探測器”等宇航器上。利用自然界溫差和工業(yè)廢熱均可用于熱電發(fā)電，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的綜合社會效益。作為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(yōu)點，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。其中兩個方面尤其重要：一方面，電子空穴的熱電效應(yīng)符號相反，二者相互補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，二者無法獨立優(yōu)化。
熱電輸運系數(shù)是一個張量，而目前的熱電材料設(shè)計僅僅考慮了縱向效應(yīng)，即溫差和電壓平行的熱電輸運。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，很少被人關(guān)注。
所謂的熱電效應(yīng)，是當(dāng)受熱物體中的電子(空穴)，因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。而這個效應(yīng)的大小，則是用稱為thermopower(Q)的參數(shù)來測量，其定義為Q=E/-dT(E為因電荷堆積產(chǎn)生的電場，dT則是溫度梯度)。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心條件實驗室博士項俊森、研究員孫培杰和超導(dǎo)實驗室研究員陳根富的新合作研究表明，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(yīng)，室溫下可以獲得高達0.5(2T)的橫向熱電優(yōu)值zT。該結(jié)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(yīng)遠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”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)的獨特優(yōu)勢。
橫向熱電效應(yīng)不再區(qū)分電子和空穴，二者的效應(yīng)等價并相互疊加，電荷空穴補償導(dǎo)致增強的橫向熱電效應(yīng)。在實際應(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，可以相對獨立地優(yōu)化電導(dǎo)和熱導(dǎo)。更加重要的是，拓撲材料的能帶結(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)，其大小可以通過改變費米能而進行調(diào)節(jié)。
拓撲金屬具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，它包含一些能帶結(jié)構(gòu)的奇點。簡單講就是具有兩支能帶的交叉點，可以用具有手性的相對論Weyl方程描寫。與二維空間(例如：石墨烯)完全不同，在三維動量空間中，這樣的能帶交叉點是一種非常穩(wěn)定的拓撲結(jié)構(gòu)，無法引入質(zhì)量項，就是說無法通過微擾打開能隙，因此非常穩(wěn)定。
對拓撲半金屬而言，產(chǎn)生大橫向熱電效應(yīng)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(jīng)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(yīng)甚至可以在零磁場下出現(xiàn)，而不依賴于任何外加磁場。這將極大地豐富該效應(yīng)的潛在應(yīng)用場景。
拓撲半金屬是不同于拓撲絕緣體的一類全新的拓撲電子態(tài)。能帶交叉簡并點Weyl node恰好坐落在費米面上，就會給出一類非常特殊的電子結(jié)構(gòu)拓撲半金屬。晶體材料按照其電子結(jié)構(gòu)的不同可以劃分為金屬和絕緣體兩大類。近這些年對拓撲絕緣體的研究表明，絕緣體可以進一步細分為一般絕緣體和拓撲絕緣體。拓撲絕緣體可以表現(xiàn)出與一般絕緣體完全不一樣的量子現(xiàn)象與物性，例如：拓撲保護的表面態(tài)、反弱局域化，量子自旋/反常霍爾效應(yīng)等等。
正像很多拓撲半金屬的橫向霍爾電導(dǎo)可以遠遠大于常規(guī)的縱向電導(dǎo)率一樣，其橫向熱電效應(yīng)也可以遠大于常規(guī)的縱向熱電效應(yīng)。這一點值得相關(guān)實驗和理論研究者的關(guān)注，對于探索新型熱電材料和尋找拓撲材料的相關(guān)應(yīng)用具有重要意義。
資料來源：物理研究所、百度百科
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