弾道法線の熱電特性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14263 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

ワイル半金属は、優れた物理的特性を備えた新しい種類のトポロジカル材料です。 2 つの垂直接点に接続された弾道ワイル半金属試験片の熱電特性を調査します。 接合の熱電係数を評価するモデルを導入し、ワイル半金属のキラル軸に沿った方向とそれに垂直な方向の 2 つの異なる方向に沿ってその特徴を分析します。 我々は、この接合の熱電応答がワイル半金属のキラル軸に沿っているかどうかに依存することを実証します。 この接合の電気コンダクタンスと熱コンダクタンスは、ワイル半金属層の長さと化学ポテンシャルに大きく依存していることがわかります。 特に、通常の接点の化学ポテンシャルを下げると、接合のゼーベック係数と熱電性能指数が実質的な値に向上することが観察されています。 したがって、我々は、ワイル半金属の弾道接合が、将来の熱エネルギー回収用の熱電デバイスへの応用のための基本的なセグメントとして機能できることを明らかにした。

ワイル半金属 (WSM) は、最近大きな関心を集めている新しい種類のトポロジカル物質です。 WSM のエネルギー分散における伝導帯と価電子帯は、偶数のワイル節点で互いに接触しており、その周囲に線形分散があります 2,3。 ワイル節の数とキラリティは、材料の対称クラスによって指定されます4。 WSM は、ワイル節点の周囲に点状のフェルミ面があるか、開いたフェルミ面があるかによって、タイプ I5 とタイプ II6 に分類されます。 カイラル異常 7、異常ホール効果 8,9、負の磁気抵抗 10、異常ネルンスト効果 11 などのいくつかの新しくて珍しい現象が WSM で観察されています。

熱はほとんどのデバイスで放散され、主に無駄になるか、デバイスの過熱を引き起こして機能に干渉します。 熱電効果 (TE) は、熱電圧変換による再生可能エネルギーの収穫とデバイス内のエネルギー廃棄物の選別、さらには温度測定や冷凍などの他の用途に有望です 12,13。 高い熱電効率を備えた熱電材料は廃熱を有用な電力に変換できます14,15。 温度勾配から電力を生成するシステムの効率は、熱電係数によって決まります16。 ゼーベック係数は、システムに接続された 2 つの貯留層間に維持される温度差によって引き起こされる電流 (閉境界条件) またはバイアス (開境界条件) を指定します 17、18。 ネルンスト係数、または横ゼーベック係数は、温度勾配と印加磁場の両方に対して横方向に生成される熱誘導電流 (バイアス) を決定します 19。 高い熱電応答を示す材料を特定することは、新しい発電機や冷却器を開発するために重要です。 さらに、状態密度は電気コンダクタンスよりも熱力学係数に大きな影響を与えるため、熱電係数はエネルギーと電荷の流れに関する情報を提供します20、21、22。 したがって、TE を調査することで、システム ダイナミクスを調査するための堅牢な実装を確立できます。

WSM およびディラック半金属 (DSM) の熱伝導率と熱出力に対する電子の寄与は、半古典的なボルツマン手法を使用して研究されています 23。 熱伝導率と熱出力は、これらの材料の線形電子分散の特徴である化学ポテンシャルに刺激的な依存性を持っていることが判明しました 24。 これらの材料は、量子異常により、ゼロドーピングおよびゼロ温度で非常に特異な挙動を示すことが示されています。 量子化磁場にさらされた DSM および WSM の熱出力および熱電性能指数は、飽和することなく磁場に応じて直線的に増加し、非常に高い値に達する可能性があります 25,26。 傾斜した WSM の熱出力に対するベリー曲率と軌道磁化の影響が調査されています 27。 ワイル節の傾斜により、伝導率行列と熱力行列に線形磁場の項が誘導されることがわかりました。 線形 B 項は、B フィールドが傾斜軸に沿って適用されるときにゼーベック係数に現れます。 DSM および反転非対称 WSM におけるネルンスト効果は、半古典的なボルツマン手法で計算されています 28。 ディラック点では、低温および低磁場のネルンスト応答が、フェルミ面上のベリー曲率の自明ではないプロファイルから生じる異常なネルンスト効果によって支配されることが判明しました。 さらに、傾斜した WSM の線形化された低エネルギーモデルにおける異常なネルンスト効果と熱ホール効果が研究されています 29,30,31,32。