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(xué)研究中心的研究人員與中美科學(xué)家合作利用壓縮晶格誘發(fā)拓?fù)湎嘧儯谑覝叵聦t摻雜的鉛硒體系的熱電優(yōu)值提高到1.7，遠(yuǎn)高于此前普遍認(rèn)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(jī)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(jī)和制冷機(jī)難以媲美的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)、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(dāng)。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(biāo)。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(jī)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(duì)象，借助于一種叫金剛石對(duì)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(dá)到最高值1.7，而后隨著壓力的進(jìn)一步增加而緩慢下降。

通過比較實(shí)驗(yàn)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?fù)湎嘧儯勺畛醯膸罱^緣體轉(zhuǎn)變成拓?fù)渚w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(xué)和凝聚態(tài)物理關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。該項(xiàng)研究將熱電效應(yīng)與拓?fù)浣^緣體關(guān)聯(lián)起來，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^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?fù)浣^緣體，盡管熱電表現(xiàn)與拓?fù)浣^緣特性的關(guān)系尚待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，但我們這項(xiàng)研究為優(yōu)化熱電材料的性能提供了一個(gè)新思路，有望為熱電材料的實(shí)際應(yīng)用起到推動(dòng)作用。”論文通訊作者、北京高壓科學(xué)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(xué)研究中心博士生陳劉城，該中心李偉健同學(xué)負(fù)責(zé)理論計(jì)算。其他合作者包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）張倩教授，美國休斯敦大學(xué)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(xué)院的學(xué)者。

該項(xiàng)研究受到國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(xué)報(bào) 作者：閆潔