通過施加壓力從廢熱中產(chǎn)生更多電力

大阪大學(xué)的研究人員通過改變壓力，將有希望的熱電材料的功率因數(shù)提高了100%以上，為具有改善的熱電性能的新材料鋪平了道路。熱電材料具有從溫差發(fā)電的獨特能力，因此可能用于將否則浪費(fèi)的熱量(例如來自熱筆記本電腦或服務(wù)器的熱量)轉(zhuǎn)換成可用電力。

除了改善的熱電特性的材料，研究人員發(fā)現(xiàn)，材料的熱電性能從電子能帶結(jié)構(gòu)，其被稱為利弗席茲過渡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的過渡起源。這種轉(zhuǎn)變不同于傳統(tǒng)的Landau型相變，因為它發(fā)生時沒有任何對稱性破壞。研究人員長期以來有理由相信Lifshitz過渡在許多量子現(xiàn)象中起著至關(guān)重要的作用，例如超導(dǎo)性，復(fù)雜磁性和熱電性質(zhì)，但它們?nèi)狈χ苯幼C據(jù)。

在這項新研究中，大阪大學(xué)的研究人員表明，Lifshitz過渡與熱電材料的物理特性之間存在直接聯(lián)系。“通過施加壓力并在壓力增加時測量量子振蕩，我們能夠跟蹤Lifshitz過渡，”相應(yīng)的作者Hideaki Sakai說。

研究人員研究了錫硒化物(SnSe)，這是一種熱電材料，也是一種含有少量導(dǎo)電載體的半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體中，較低的能量價帶充滿電子，而較高的能量導(dǎo)帶則沒有電子; 一旦引入一些雜質(zhì)和/或化學(xué)缺陷，導(dǎo)電載體分別作為導(dǎo)電帶和價帶中的電子和空穴引入，并且半導(dǎo)體將表現(xiàn)得像導(dǎo)體。除了對材料的導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響外，帶結(jié)構(gòu)還對量子現(xiàn)象產(chǎn)生影響，例如它們的熱電能力。錫硒化物的價帶不是完全平坦的，但通常在其中具有兩個谷。

“當(dāng)我們增加對材料的壓力時，我們觀察到當(dāng)Lifshitz過渡發(fā)生時，材料中的兩個谷變?yōu)樗膫€，”Hideaki Sakai說。研究人員能夠在實驗和理論上證明，谷的數(shù)量的這種變化直接導(dǎo)致了硒化物的熱電性能的顯著改善。

該研究的結(jié)果可能有助于在未來制備改進(jìn)的熱電材料，并且還可以幫助闡明Lifshitz過渡對各種傳輸特性的影響，從而導(dǎo)致潛在的應(yīng)用，例如利用帶結(jié)構(gòu)中的谷自由度的新型電子器件。