“横竖”都是热电：拓扑半金属大横向热电优值的发现

来源：中国科学杂志社

热电材料的应用并非一定要局限于温差和电压平行的纵向方向。最新研究表明，在拓扑电子材料中，二者相互垂直的横向热电效应远比我们以往所想象的要大。SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA) 2020年第63卷第3期报道了中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孙培杰研究员课题组的这一重要研究结果，论文题目为“Large transverse thermoelectric figure of merit in a topological Dirac semimetal”  1)，并同期发表了陈仙辉院士对该工作的评论文章“Harvesting transverse thermoelectricity in topological semimetals”2)。

热电材料可以实现温差和电能的直接相互转换。作为新型的能源和制冷材料，其具有无振动、无噪音、无需维护和可集成化等一系列优点，在空间技术、微电子与信息技术等领域具有广泛的应用前景。然而，当前热电材料的效率较低是其应用的最大障碍。

传统热电材料的效率受制于若干基础物理原因，其中主要的两个方面：1) 电子空穴的相互补偿降低了热电效应；2) Wiedemann-Franz定律决定了电导和热导的比例关系，二者不能独立优化。该课题组的这项工作发现了在一个小的磁场中狄拉克半金属砷化镉Cd3As2存在着巨大的横向热电（能斯特）效应，室温下获得了高达0.5（2T）的横向热电优值zT（图1）。这一现象巧妙地“绕过”了传统热电效应的上述困难，展现了其横向热电效应的独特优势。                                              

图1 横向和纵向热电优值随磁场的变化（左）和其峰值随温度的变化（右） 

图2 传统的纵向热电效应（a）和横向热电效应（b）示意图2)

如图2所示，横向热电效应并不区分电子和空穴，二者的效应互相叠加后，电荷空穴补偿导致增强的横向热电效应，因此在实际应用中，人们不再需要n型和p型材料的串联结构。由于热流和电流方向垂直，Wiedemann-Franz定律的限制被解除，人们可以相对独立地优化电导和热导。更重要的是，拓扑材料的能带结构导致的贝利曲率还可以产生额外的反常横向热电效应，其大小可以通过改变费米能而进行调节（图3）。对拓扑半金属而言，产生大横向热电效应需要的外磁场原则上可以很小，普通稀土永磁体的磁场可能已经足够。如果进一步考虑具有磁性的拓扑体系时，巨大的横向热电效应甚至可以在零磁场下出现，而不依赖于任何外加磁场，这将极大地丰富该效应的潜在应用。

图3 横向和纵向热电效应随费米能的变化规律，前者随着费米能的降低而单调上升，暗示着简单的横向热电效应优化途径

陈仙辉院士2)在评论这篇文章时提到，拓扑半金属的巨大横向热电效应反映了拓扑电子的高迁移率、能带特点以及贝利曲率等本征特性，可能是拓扑材料中存在的普适规律。正像很多高迁移率拓扑材料中的霍尔电导可以远远大于常规的纵向电导率一样，其横向热电效应也可以远大于常规的纵向热电效应。这一点值得相关实验和理论研究者的关注，对于探索新型热电材料和寻找拓扑材料的相关应用具有重要意义。

文章信息：

1]  J. S. Xiang, S. L. Hu, M. Lyu, W. L. Zhu, C. Y. Ma, Z. Y. Chen, F. Steglich, G. F. Chen, and P. J. Sun, Large transverse thermoelectric figure of merit in a topological Dirac semimetal, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 237011 (2020). 

2]  Xian Hui Chen, Harvesting transverse thermoelectricity in topological semimetals, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 237031 (2020).