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作者:闫洁 来源:明升官网明升体育app报 发布时间:2019/10/7 11:15:10
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《自然—材料》:拓扑相变用于提高热电优值
或为解决手机发热带来曙光

 

10月7日,《自然—材料》在线发表题为“Enhancement of thermoelectric performance across the topological phase transition in dense lead selenide”的研究长文。北京高压明升体育app研究中心的研究人员与中美明升体育app家合作利用压缩晶格诱发拓扑相变,在室温下将铬掺杂的铅硒体系的热电优值提高到1.7,远高于此前普遍认可的室温最高值。这一发现不仅提供了一种提高热电优值的新方法,也为未来热电材料在室温下的技术应用,特别是解决手机相关微电子器件的发热问题带来曙光。

热电材料是一种直接将热能和电能相互转换的功能材料,可用于发电和制冷,具有传统发电机和制冷机难以媲美的优点,如尺寸小、质量轻、响应快、寿命长,环境友好、工作无震动、无噪声,以及可精确控温等。其转化效率由热电优值确定。研究发现,一旦该值大于3,热电器件的转化效率将可能超过30%,这与煤、石油等传统燃料的转换效率几乎相当。因此,寻找有效的方法提高热电优值是热电研究追求的重要目标。历史上,室温下最高热电优值长期在1附近徘徊,而解决像手机这类微电子器件的发热问题,迫切需要显著提高室温下的热电优值。

研究者选择1%铬掺杂的硒化铅(Pb0.99Cr0.01Se)作为研究对象,借助于一种叫金刚石对顶砧的高压装置,通过自主研发的高压热电性质综合测量系统,获得了热电优值随压力变化像山峰一样的表现形状。他们发现,在施加压力作用下,热电优值先是像爬坡一样增加,到3万大气压附近达到最高值1.7,而后随着压力的进一步增加而缓慢下降。

通过比较实验和理论结果,研究者发现在热电优值最佳表现的地方材料发生了拓扑相变,由最初的带状绝缘体转变成拓扑晶体绝缘体。而后者作为一种新型的量子现象,是近年来材料明升体育app和凝聚态物理关注的一个焦点。该项研究将热电效应与拓扑绝缘体关联起来,同时发现了实现拓扑绝缘态的新途径,即采用压缩晶格这一洁净有效的方法。

“由于大部分热电材料都是拓扑绝缘体,尽管热电表现与拓扑绝缘特性的关系尚待进一步认识,但我们这项研究为优化热电材料的性能提供了一个新思路,有望为热电材料的实际应用起到推动作用。”论文通讯作者、北京高压明升体育app研究中心研究员陈晓嘉解释说。

该论文第一作者是北京高压明升体育app研究中心博士生陈刘城,该中心李伟健同学负责理论计算。其他合作者包括哈尔滨工业大学(深圳)张倩教授,美国休斯敦大学超导中心主任、著名热电研究专家任志锋教授,以及华盛顿卡内基研究院和麻省理工学院的学者。

该项研究受到国家科技部重点研发计划的支持。

相关论文信息:http://www.nature.com/articles/s41563-019-0499-9

 
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