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拓撲相變提高熱電優值

手機有望不再“燙手”

2019-10-08 中國科學報 閆潔
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  北京高壓科學研究中心的研究人員與中美科學家合作利用壓縮晶格誘發拓撲相變,在室溫下將鉻摻雜的鉛硒體系的熱電優值提高到1.7,遠高于此前普遍認可的室溫最高值。這一發現不僅提供了一種提高熱電優值的新方法,也為未來熱電材料在室溫下的技術應用,特別是解決手機相關微電子器件的發熱問題帶來曙光。相關成果10月7日在線發表于《自然—材料》。

  熱電材料是一種直接將熱能和電能相互轉換的功能材料,其轉化效率由熱電優值確定。研究發現,一旦該值大于3,熱電器件的轉化效率將可能超過30%,這與煤、石油等傳統燃料的轉換效率幾乎相當。歷史上,室溫下最高熱電優值長期在1附近徘徊,而解決像手機這類微電子器件的發熱問題,迫切需要顯著提高室溫下的熱電優值。

  研究者選擇1%鉻摻雜的硒化鉛作為研究對象,借助金剛石對頂砧高壓裝置,通過自主研發的高壓熱電性質綜合測量系統,獲得了像山峰一樣的熱電優值隨壓力變化的表現形狀。他們發現,在施加壓力作用下,熱電優值先如爬坡般增加,到3萬大氣壓附近達到最高值1.7,而后隨著壓力的進一步增加而緩慢下降。

  通過比較實驗和理論結果,研究者發現,在熱電優值最佳表現的地方,材料發生了拓撲相變,由最初的帶狀絕緣體轉變成拓撲晶體絕緣體。而后者作為一種新型的量子現象,是近年來材料科學和凝聚態物理關注的一個焦點。該項研究將熱電效應與拓撲絕緣體關聯起來,同時發現了實現拓撲絕緣態的新途徑,即采用壓縮晶格這一潔凈有效的方法。

打印 責任編輯:侯茜
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