研究人员查明塞贝克效应的起源

2016-09-120阅读0

  东京大学、名古屋大学、大阪大学等组成的研究小组于2016年9月7日宣布,查明了以铁为主要成分的化合物“FeSb2”在极低温下表现的巨大热电效应(塞贝克效应)的起源。为开发在极低温下工作的高性能珀尔帖式致冷器指出了新的设计方针。

  

声子拖曳效应概念图

  借助晶体中的温度梯度,晶格振动(声子)从高温向低温传输。声子能利用电子-晶格相互作用传输电子,而且与电子一样,具有从高温侧向低温侧移动的性质,因此会在通常的热电效应的基础上,沿温度梯度的方向产生电压(摘自东京大学的发布资料)

  热电转换材料的用途包括利用废热发电、不使用氟利昂气体的冷冻装置——珀尔帖式致冷器等。含铋化合物是大家比较熟悉的一种可在接近室温的温度下工作的热电转换材料,主要用于红酒柜等。另一方面,实现超导线性等所需的极低温的热电转换元件至今尚未投入实用。有研究表明,在-260℃的极低温下,铁化合物FeSb2的巨大热电效应是含铋热电材料的100倍以上,作为在极低温下工作的热电材料,成为了关注的焦点。但是,由于不清楚产生巨大热电效应的起源,科研人员一直找不到进一步提高热电性能的设计方针。

  

5种不同尺寸(截面积)晶体的照片,以及塞贝克系数和导热率的测量结果

  晶体越大,塞贝克系数的绝对值和导热率越大(摘自东京大学的发布资料)

  此次,研究人员使用5种不同尺寸(截面积)的FeSb2超高纯度单晶体(0.08mm~0.27mm),测量了电阻率、塞贝克系数和导热率。结果发现,随着晶体尺寸变大,导热率和塞贝克系数增大,最大的晶体的导热率达到770W/mK,塞贝克系数达到-27mV/K。根据导热率和塞贝克系数的尺寸依赖性,研究人员确认传输热量的声子在晶界发生了散射,并且发现,声子具有借助电子-声子的相互作用,从高温向低温移动的性质,巨大的塞贝克系数是在声子借助这一性质传输电子的声子拖曳效应的作用下产生的。

  

无量纲优值系数的声子平均自由程依赖性

  晶体越大,声子的平均自由程越长,无量纲优值系数越大。而且,随着电子的有效质量增大,性能也有望随之提高(摘自东京大学的发布资料)

  回旋共振实验的结果表明,电子的有效质量比自由电子的质量大5倍左右,声子运输有效质量大的电子,会使塞贝克系数增大。上述研究证明,FeSb2表现出的巨大的塞贝克系数和功率因数,源自在晶界发生散射、平均自由程较长的声子与有效质量大的电子之间的相互作用。

  此次研究还发现,电子-声子相互作用产生的声子拖曳效应的无量纲优值系数与声子的平均自由程和电子的有效质量成正比。这个结果意味着,利用电子与声子的相互作用可以提高无量纲优值系数。通过选用电子有效质量较大的材料,可以实现能够投入实用的热电转换效率,应用于组合使用极低温珀尔帖元件和超导材料的新产品。

  相关研究成果已于2016年9月6日发表在《自然通讯》(Nature Communications)上。(特约撰稿人:工藤宗介)

  (全文完)