《自然·通訊》刊登聲子學(xué)中心陳志煒博士雙極擴散實現(xiàn)高效霍爾熱泵的重要成果
近日，我院聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心陳志煒博士后在深低溫區(qū)熱電制冷領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。該研究報道的新型熱電材料Mg2Pb在10~100 K的制冷/熱泵功率達(dá)到1 Wg-1，相較傳統(tǒng)制冷手段具有明顯優(yōu)勢。相關(guān)研究成果以“Leveraging bipolar effect to enhance transverse thermoelectricity in semimetal Mg2Pb for cryogenic heat pumping “為題，發(fā)表于國際知名期刊《自然·通訊》（Nature Communications, 12, 3837 (2021)）。
深低溫制冷技術(shù)（<120 K）在多個領(lǐng)域扮演著重要角色。目前，傳統(tǒng)熱電材料的深低溫區(qū)性能較低制約了熱電技術(shù)在該溫區(qū)的應(yīng)用。其核心原因為：盡管電子和空穴都是熱電轉(zhuǎn)換的能量載子，但在傳統(tǒng)縱向工作模式下，電流和熱流同向使得電子和空穴共存時各自的帕爾貼效應(yīng)正負(fù)抵消（圖1a），導(dǎo)致帕爾貼制冷材料通常為重?fù)诫s半導(dǎo)體，至多有效利用其中的一種載流子。也就是說，雙極擴散效應(yīng)在縱向上表現(xiàn)為電子空穴的相互制約，是縱向工作模式下的熱電性能殺手。而在橫向工作模式上，利用磁場或等效磁場干預(yù)電子空穴的分布流向使熱流電流異向流動，可實現(xiàn)雙載流子協(xié)同貢獻(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，使得雙極擴散效應(yīng)成為提升熱電性能的突破口（圖1b）。
圖1 圖解線性響應(yīng)框架下a雙極擴散效應(yīng)抑制縱向熱電性能，以及b雙極擴散效應(yīng)增強橫向熱電性能。
最大化雙極擴散效應(yīng)的關(guān)鍵則在于霍爾或熱霍爾效應(yīng)的完全消除（圖2a）。本工作在Mg2Pb半金屬中證實這一提升材料橫向熱電性能的策略。通過能帶設(shè)計以及費米能級調(diào)控，使該材料在30 K實現(xiàn)了高達(dá)400 mWcm-1K-2的橫向功率因子（圖2b），是其縱向功率因子的3個數(shù)量級以上，預(yù)估的比制冷功率為1 Wg-1，在現(xiàn)有的熱泵/制冷技術(shù)之中極具競爭力（圖2c）。此外，該策略有望使大量受到雙極擴散效應(yīng)制約（低縱向性能）的窄帶隙半導(dǎo)體或半金屬材料成為潛在的高性能熱電材料（高橫向性能），或為熱電技術(shù)在深低溫區(qū)的拓展應(yīng)用提供候選材料。
圖2 a 圖解雙極擴散效應(yīng)增強橫向熱電性能的理想電子能帶結(jié)構(gòu)。b 半金屬Mg2Pb中縱向和橫向熱電功率因子（PF）的磁場依賴。c 對比不同制冷技術(shù)的比制冷/熱泵功率及其溫度依賴。
我院聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心陳志煒（博新計劃博士后）為第一作者，任捷教授為博士后合作導(dǎo)師，陳粵教授、賀健教授也對本項工作做出了重要貢獻(xiàn)，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院裴艷中教授以及上海硅酸鹽研究所陳立東研究員為共同通訊作者。該工作受到國家重點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、青年基金、博士后創(chuàng)新人才支持計劃、上海市科委等項目資助。
文章信息：Chen,
Z., Zhang, X., Ren, J. Zeng, Z., Chen, Y., He, J., Chen, L. and Pei, Y.
Leveraging bipolar effect to enhance transverse thermoelectricity in semimetal
Mg2Pb for cryogenic heat pumping. Nat Commun 12, 3837 (2021). 鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24161-1
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