Термоэлектрические свойства баллистического нормального

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 14263 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Полуметаллы Вейля — новый класс топологических материалов, обладающих выдающимися физическими свойствами. Исследованы термоэлектрические свойства баллистического образца полуметалла Вейля, соединенного с двумя нормальными контактами. Мы вводим модель для оценки термоэлектрических коэффициентов перехода и анализируем его особенности в двух различных направлениях: одно вдоль киральной оси полуметалла Вейля, а другое перпендикулярно ей. Мы показываем, что термоэлектрический отклик этого перехода зависит от того, расположен ли он вдоль киральной оси полуметалла Вейля или нет. Электрическая и теплопроводность этого перехода существенно зависит от длины и химического потенциала слоя полуметалла Вейля. В частности, мы наблюдаем, что уменьшение химического потенциала в нормальных контактах приводит к увеличению коэффициента Зеебека и термоэлектрической эффективности контакта до существенных значений. Таким образом, мы раскрываем, что баллистический переход из полуметалла Вейля может служить фундаментальным сегментом для применения в будущих термоэлектрических устройствах для сбора тепловой энергии.

Полуметаллы Вейля (ПВМ) — новый класс топологической материи, который в последнее время вызвал огромный интерес1. Зоны проводимости и валентная зона в энергетической дисперсии WSM касаются друг друга в четном числе узлов Вейля и имеют линейную дисперсию вокруг них2,3. Число и киральность узлов Вейля определяются классом симметрии материала4. WSM подразделяются на тип I5 и тип II6 в зависимости от того, имеют ли они точечные или открытые поверхности Ферми вокруг узлов Вейля. В WSM наблюдались некоторые новые и экзотические явления, такие как киральная аномалия7, аномальный эффект Холла8,9, отрицательное магнитосопротивление10 и аномальный эффект Нернста11.

В большинстве устройств тепло рассеивается и в основном тратится впустую или вызывает перегрев устройства, что приводит к нарушению его функциональности. Термоэлектрические эффекты (ТЭ) перспективны для сбора возобновляемой энергии и сортировки энергетических отходов в устройствах посредством преобразования тепла в напряжение, а также для других приложений, таких как термометрия, охлаждение12,13. Термоэлектрические материалы с высокой термоэлектрической эффективностью могут преобразовывать отходящее тепло в полезную электроэнергию14,15. Эффективность системы генерации электроэнергии из температурного градиента определяется термоэлектрическими коэффициентами16. Коэффициент Зеебека определяет ток (замкнутое граничное условие) или смещение (открытое граничное условие), которое возникает из-за разницы температур, поддерживаемой между двумя резервуарами, подключенными к системе17,18. Коэффициент Нернста, или поперечный коэффициент Зеебека, определяет термоиндуцированный ток (смещение), генерируемый в направлении, поперечном как температурному градиенту, так и приложенному магнитному полю19. Идентификация материалов с высокими термоэлектрическими откликами имеет решающее значение для разработки новых электрических генераторов и охладителей. Кроме того, термоэлектрические коэффициенты предоставляют информацию о потоке энергии и заряда из-за большего влияния плотности состояний на термодинамические коэффициенты, чем электропроводность20,21,22. Таким образом, исследование TE может стать надежным инструментом для исследования динамики системы.

Электронный вклад в теплопроводность и термоЭДС WSM и дираковских полуметаллов (DSM) исследован с использованием полуклассического больцмановского подхода23. Было обнаружено, что теплопроводность и термоЭДС имеют захватывающую зависимость от химического потенциала, характерного для линейной электронной дисперсии этих материалов24. Было показано, что эти материалы имеют весьма необычное поведение при нулевом легировании и нулевой температуре из-за квантовой аномалии. ТермоЭДС и термоэлектрическая эффективность DSM и WSM, подвергнутых квантующему магнитному полю, растут линейно с ростом поля без насыщения и могут достигать чрезвычайно высоких значений25,26. Исследовано влияние кривизны Берри и орбитальной намагниченности на термоЭДС в наклонных WSM27. Было обнаружено, что наклон узлов Вейля индуцирует члены линейного магнитного поля в матрицах проводимости и термоЭДС. Член линейного B появляется в коэффициентах Зеебека, когда B-поле прикладывается вдоль оси наклона. Эффект Нернста в DSM и инверсионно-асимметричных WSM рассчитывался в рамках квазиклассического подхода Больцмана28. Было обнаружено, что в точках Дирака в отклике Нернста при низкой температуре и слабом магнитном поле преобладает аномальный эффект Нернста, возникающий из-за нетривиального профиля кривизны Берри на поверхности Ферми. Кроме того, были изучены аномальные эффекты Нернста и тепловые эффекты Холла в линеаризованной низкоэнергетической модели наклонных WSM29,30,31,32.