【儀表網 儀表研發】熱電材料可以實現溫差和電能的直接相互轉換。對于遙遠的太空探測器來說，放射性同位素供熱的熱電發電器供電系統。已被成功的應用于美國宇航局發射的“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廢熱均可用于熱電發電，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，限制了其應用范圍。傳統熱電材料主要是摻雜的窄帶隙半導體，其效率受制于若干基礎物理原因。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。
 

　　熱電輸運系數是一個張量，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。
 

　　所謂的熱電效應，是當受熱物體中的電子(空穴)，因隨著溫度梯度由高溫區往低溫區移動時，所產生電流或電荷堆積的一種現象。而這個效應的大小，則是用稱為thermopower(Q)的參數來測量，其定義為Q=E/-dT(E為因電荷堆積產生的電場，dT則是溫度梯度)。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態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，室溫下可以獲得高達0.5(2T)的橫向熱電優值zT。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人們以往所想象的要大，熱電材料的應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，可以巧妙地“繞過”傳統熱電效應的上述困難，并且將其轉化為橫向熱電效應的獨特優勢。
 

　　橫向熱電效應不再區分電子和空穴，二者的效應等價并相互疊加，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。
 

　　拓撲金屬具有特殊的能帶結構，它包含一些能帶結構的奇點。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定的拓撲結構，無法引入質量項，就是說無法通過微擾打開能隙，因此非常穩定。
 

　　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，而不依賴于任何外加磁場。這將極大地豐富該效應的潛在應用場景。
 

　　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。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構拓撲半金屬。晶體材料按照其電子結構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出與一般絕緣體完全不一樣的量子現象與物性，例如：拓撲保護的表面態、反弱局域化，量子自旋/反常霍爾效應等等。
 

　　正像很多拓撲半金屬的橫向霍爾電導可以遠遠大于常規的縱向電導率一樣，其橫向熱電效應也可以遠大于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，對于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。
 

　　資料來源：物理研究所、百度百科