《自然—材料》：拓扑相变用于提高热电优值 或为解决手机发热带来曙光

10月7日，《自然—材料》在线发表题为“Enhancement of thermoelectric performance across the topological phase transition in dense lead selenide”的研究长文。北京高压科学研究中心的研究人员与中美科学家合作利用压缩晶格诱发拓扑相变，在室温下将铬掺杂的铅硒体系的热电优值提高到1.7，远高于此前普遍认可的室温最高值。这一发现不仅提供了一种提高热电优值的新方法，也为未来热电材料在室温下的技术应用，特别是解决手机相关微电子器件的发热问题带来曙光。

热电材料是一种直接将热能和电能相互转换的功能材料，可用于发电和制冷，具有传统发电机和制冷机难以媲美的优点，如尺寸小、质量轻、响应快、寿命长，环境友好、工作无震动、无噪声，以及可精确控温等。其转化效率由热电优值确定。研究发现，一旦该值大于3，热电器件的转化效率将可能超过30%，这与煤、石油等传统燃料的转换效率几乎相当。因此，寻找有效的方法提高热电优值是热电研究追求的重要目标。历史上，室温下最高热电优值长期在1附近徘徊，而解决像手机这类微电子器件的发热问题，迫切需要显著提高室温下的热电优值。

研究者选择1%铬掺杂的硒化铅（Pb0.99Cr0.01Se）作为研究对象，借助于一种叫金刚石对顶砧的高压装置，通过自主研发的高压热电性质综合测量系统，获得了热电优值随压力变化像山峰一样的表现形状。他们发现，在施加压力作用下，热电优值先是像爬坡一样增加，到3万大气压附近达到最高值1.7，而后随着压力的进一步增加而缓慢下降。

通过比较实验和理论结果，研究者发现在热电优值最佳表现的地方材料发生了拓扑相变，由最初的带状绝缘体转变成拓扑晶体绝缘体。而后者作为一种新型的量子现象，是近年来材料科学和凝聚态物理关注的一个焦点。该项研究将热电效应与拓扑绝缘体关联起来，同时发现了实现拓扑绝缘态的新途径，即采用压缩晶格这一洁净有效的方法。

“由于大部分热电材料都是拓扑绝缘体，尽管热电表现与拓扑绝缘特性的关系尚待进一步认识，但我们这项研究为优化热电材料的性能提供了一个新思路，有望为热电材料的实际应用起到推动作用。”论文通讯作者、北京高压科学研究中心研究员陈晓嘉解释说。

该论文第一作者是北京高压科学研究中心博士生陈刘城，该中心李伟健同学负责理论计算。其他合作者包括哈尔滨工业大学（深圳）张倩教授，美国休斯敦大学超导中心主任、著名热电研究专家任志锋教授，以及华盛顿卡内基研究院和麻省理工学院的学者。

该项研究受到国家科技部重点研发计划的支持。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0499-9

来源：中国科学报 作者：闫洁