中國粉體網(wǎng)訊  熱電材料可以實現(xiàn)溫差和電能的直接相互轉(zhuǎn)換。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。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端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(yīng)，室溫下可以獲得高達0.5（2T）的橫向熱電優(yōu)值zT（參考圖1）。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。

如圖2所示，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)。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。相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表于Sci. China-Phys. Mach. Astron. 63, 237011 (2020)。

該雜志還同期發(fā)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(yīng)可能是該類材料的普適現(xiàn)象。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。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃和中科院B類先導(dǎo)專項的資助。

圖1：橫向和縱向熱電優(yōu)值隨磁場的變化（左）和二者峰值隨溫度的變化（右）。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）

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