10月7日，《自然—材料》在線發(fā)表題為“Enhancement of thermoelectric performance across the topological phase transition in dense lead selenide”的研究長文。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(fā)拓撲相變，在室溫下將鉻摻雜的鉛硒體系的熱電優(yōu)值提高到1.7，遠高于此前普遍認可的室溫最高值。這一發(fā)現(xiàn)不僅提供了一種提高熱電優(yōu)值的新方法，也為未來熱電材料在室溫下的技術(shù)應(yīng)用，特別是解決手機相關(guān)微電子器件的發(fā)熱問題帶來曙光。

熱電材料是一種直接將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，可用于發(fā)電和制冷，具有傳統(tǒng)發(fā)電機和制冷機難以媲美的優(yōu)點，如尺寸小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、壽命長，環(huán)境友好、工作無震動、無噪聲，以及可精確控溫等。其轉(zhuǎn)化效率由熱電優(yōu)值確定。研究發(fā)現(xiàn)，一旦該值大于3，熱電器件的轉(zhuǎn)化效率將可能超過30%，這與煤、石油等傳統(tǒng)燃料的轉(zhuǎn)換效率幾乎相當。因此，尋找有效的方法提高熱電優(yōu)值是熱電研究追求的重要目標。歷史上，室溫下最高熱電優(yōu)值長期在1附近徘徊，而解決像手機這類微電子器件的發(fā)熱問題，迫切需要顯著提高室溫下的熱電優(yōu)值。

研究者選擇1%鉻摻雜的硒化鉛（Pb0.99Cr0.01Se）作為研究對象，借助于一種叫金剛石對頂砧的高壓裝置，通過自主研發(fā)的高壓熱電性質(zhì)綜合測量系統(tǒng)，獲得了熱電優(yōu)值隨壓力變化像山峰一樣的表現(xiàn)形狀。他們發(fā)現(xiàn)，在施加壓力作用下，熱電優(yōu)值先是像爬坡一樣增加，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(jié)果，研究者發(fā)現(xiàn)在熱電優(yōu)值最佳表現(xiàn)的地方材料發(fā)生了拓撲相變，由最初的帶狀絕緣體轉(zhuǎn)變成拓撲晶體絕緣體。而后者作為一種新型的量子現(xiàn)象，是近年來材料科學和凝聚態(tài)物理關(guān)注的一個焦點。該項研究將熱電效應(yīng)與拓撲絕緣體關(guān)聯(lián)起來，同時發(fā)現(xiàn)了實現(xiàn)拓撲絕緣態(tài)的新途徑，即采用壓縮晶格這一潔凈有效的方法。

“由于大部分熱電材料都是拓撲絕緣體，盡管熱電表現(xiàn)與拓撲絕緣特性的關(guān)系尚待進一步認識，但我們這項研究為優(yōu)化熱電材料的性能提供了一個新思路，有望為熱電材料的實際應(yīng)用起到推動作用。”論文通訊作者、北京高壓科學研究中心研究員陳曉嘉解釋說。

該論文第一作者是北京高壓科學研究中心博士生陳劉城，該中心李偉健同學負責理論計算。其他合作者包括哈爾濱工業(yè)大學（深圳）張倩教授，美國休斯敦大學超導(dǎo)中心主任、著名熱電研究專家任志鋒教授，以及華盛頓卡內(nèi)基研究院和麻省理工學院的學者。

該項研究受到國家科技部重點研發(fā)計劃的支持。

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0499-9

來源：中國科學報 作者：閆潔