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中国科学院物理研究所 EX1i组供稿 第25期 2015年07月07日
北京凝聚态物理国家实验室
一种新的塞贝克效应机理
  塞贝克(Seebeck)效应,又称热电效应,是指一种材料中存在温度梯度时,会产生相应的电压差的现象。塞贝克效应和材料的电子结构密切相关,其大小和随外界条件的变化反映了材料费米能附近电子态密度的非对称性结构。除了基础物理方面的研究意义以外,目前国际上对塞贝克效应的关注更多地集中在其应用价值上,即热电材料的应用。利用温度差和电势差的相互关系,热电材料可以应用在温差发电或固态制冷方面,作为一种新型的能源材料正在受到广泛的关注。为了进一步提高材料的塞贝克系数,该领域当前的研究主流是以能带计算为基础,寻找能带结构更合理的新型材料和低维材料。
  重费米子材料的巨大热电效应一直被认为是该类材料里电子关联下粒子有效质量高度重整化的结果。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件物理重点实验室EX1i组孙培杰特聘研究员长期研究重费米子体系的异常输运现象,曾发现电子局域近藤散射和巨大热电现象的直接关系[Phys. Rev. Lett. 110,216408 (2013)]。
  最近,通过把该项研究成果推广到一般材料,孙培杰和硕士生韦贝佩,张佳浩提出并实验验证了一个和近藤过程类似的新型热电输运机理。当材料中电子驰豫过程随温度发生显著变化时(反映在电子迁移率或粒子寿命的温度变化上),材料会产生一个额外的,不依赖于费米面状态的塞贝克信号。这个效应的符号和大小与能带结构没有直接关系,其物理来源是电子驰豫过程的温度非对称性。这一点和重费米子材料中近藤散射过程的能量非对称性很相似,更具有普遍意义。他们将这个新型机理应用于方钴矿结构的CoSb3等几个典型的材料,很好地解释了这类材料里很难理解的异常热电现象。该工作的意义主要反映在以下两点。一,能够解释大量材料里和电子异常驰豫过程对应的异常热电信号的来源。二,为设计新型热电能源材料提出了全新的思路。譬如,可以通过人工异质结构,或构建不同迁移率材料的复合链接来设计电子迁移率的梯度,以提高热电转换效率。
  相关结果发表于近期的Nature Communications 6 (2015) 7475上。该研究是与维也纳技术大学Tomczak博士,约翰内斯堡大学 Strydom教授,马普固态化学物理研究所Steglich教授,以及奥胡斯大学Iversen教授合作共同完成的,并得到了科技部量子调控项目、国家自然科学基金、科学院B类先导专项和百人计划项目的支持。
图一:电子输运的不同非对称性和相对应的热电现象。电子驰豫过程的温度或能量非对称性(c,d)的一个特征表现就是磁场下相反运动方向电子的洛仑兹力无法抵消,产生横向电位差,即能势特信号。而电子态密度的非对称性(a,b)无法引起能势特信号。
下载附件>> ncomms8475.pdf
下载附件>> PRL?110?2013?e216408.pdf
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