來自大阪大學的研究團隊透過改變壓力成功將一種具有應用前景的焦熱電材料的功率因數提高了一倍以上，爲新材料焦熱電性能的改善鋪平了道路。焦熱電材料1* 具有利用溫差發電的獨特能力，因此可被用於將廢熱（例如筆記型電腦或伺服器的熱量）轉換成可用電力。
圖1 :(左）SnSe（硒化錫）的層狀晶體結構示意圖。 （右）SnSe的焦熱電功率因數在150 K和300 K時與壓力之間的關係。 插圖顯示了SnSe中能谷位相結構的相應變化。
除了對材料焦熱電性能的改善外，該研究團隊還發現，材料的熱電效應其實源自其電子能帶2* 位相結構的轉變，這也被稱爲Lifshitz轉變。和傳統的Landau型相變不同，這種轉變發生時並沒有涉及任何對稱的破缺。長期以來，研究者們相信Lifshitz轉變在很多量子現象中都起着至關重要的作用，例如超導，磁性以及焦熱電性，但都缺乏直接證據。
大阪大學的研究團隊在該項新研究中表明，Lifshitz轉變與焦熱電材料的物理性質之間確實存在着直接關聯。 「透過施加壓力並在壓力增加時測量量子振盪，我們已經能夠成功精確觀測Lifshitz轉變，」研究人員酒井英明說。
該團隊主要研究了硒化錫（SnSe），這是一種焦熱電材料，也是一種含有少量載流子3* 的半導體。在半導體中，較低能量的價帶中充滿着電子，而較高能量的傳導帶則是空的；一旦引入雜質或化學缺陷，載流子將分別以傳導帶中的電子或價帶中的電洞的形式引入，使半導體表現得像導體一樣。除了對材料的導電性產生影響之外，能帶結構也對某些量子現象有影響，例如材料的焦熱電性能。硒化錫的價帶不是完全平坦的，而是通常包含有兩個能谷。
圖2：壓力下的焦熱電與電學量測裝置。
酒井英明說，「當增加施加在材料上的壓力時，我們觀察到，伴隨着Lifshitz轉變的發生，材料的兩個能谷變爲四個，」該研究團隊成功地在實驗和理論上證明，能谷數量的這種變化直接導致了硒化物焦熱電性能的顯著改善。
該研究結果將有助於製備及改進焦熱電材料，並且還可以幫助闡明Lifshitz轉變對各種輸送性質的影響，從而隊形變換材料的潛在應用，比如涉及帶結構中的能谷自由度變化的新型電子器件。
[用詞註解]
*1 焦熱電材料：一種利用固體内部載流子運動實施熱能和電能直接相互轉換的功能材料。
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110512_3131837.shtml
*2 電子能帶：固體材料的能帶結構由多條能帶組成，類似於原子中的電子能階。電子先佔據低能量的能帶，逐步佔據高能階的能帶。根據電子填充的情況，能帶分爲傳導帶（簡稱傳導帶，少量電子填充）和價電帶（簡稱價帶，大量電子填充）。傳導帶和價帶間的空隙稱爲禁帶（電子無法填充），大小爲能隙。
*3 載流子：在物理可用能學中，載流子（charge carrier），或簡稱載子（carrier），指可以自由行程的帶有電荷的物質微粒，如電子和離子。在半導體物理可用能學中，電子流失導致共價鍵上留下的空艙（電洞）被視爲載流子。
引用文獻：
"Large Enhancement of Thermoelectric Efficiency Due to a Pressure-Induced Lifshitz Transition in SnSe」
Physical Review Letters: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.226601
供稿 鍾維
編輯修改 JST客觀日本編輯部
