首次全面表征砷化镉薄膜的非凡热电性能

如果人类有一件事情非常擅长，那就是产生热量：大量的热量，而且在很多情况下，我们产生并输入到系统中的大部分能量都会以热量的形式损失掉，无论是我们的电器、交通、工厂，甚至是电网。

“废热无处不在，”加州大学圣巴巴拉分校机械工程学教授、热科学和可再生能源专家廖博林说。“我们的发电厂、汽车排气管——有很多地方都会产生多余的热废物。”

目前，我们在如何最大限度地利用这些散热方面还做得相当有限。但廖教授和加州大学圣塔芭芭拉分校的同事以及来自俄亥俄州立大学和香港大学的合作者正在努力利用这些热量，首次全面表征了高质量砷化镉薄膜的热电特性。

“如果我们能够回收这些废热，那就太棒了，”他说。“这将真正提高我们的能源效率，而且它也是一种真正可持续的能源。”

砷化镉的拓扑表面状态与本体状态的对比图，以及薄膜与最先进材料碲化铋的性能对比图。图片来源：加州大学圣巴巴拉分校

更好的热电材料

“为了获得高效率，我们需要材料导电性好、导热性差，并在给定温差下产生高电压，”廖说。导热性差可最大限度地减少热耗散，同时保持材料之间的温差，从而通过材料的高性能导电性增强电流。由温度梯度产生的电压被称为塞贝克效应。

这种电传输和热传输特性的结合是理想的，但廖表示，“在实践中很难实现”。

砷化镉(Cd3As2)是一种狄拉克半金属，具有良好的传输特性，特别是低热导率和高电子迁移率。

“我们对这种材料非常兴奋，我们想，‘好吧，这真的是这两种优秀特性的结合，’”廖说。“但只有一个问题。这个问题是，除了良好的电导性和较差的热导性之外，你还需要这种材料能够在温度梯度下产生足够的电压。”

作为一种半金属，砷化镉具有极好的快速导电性，但它只能产生非常小的塞贝克电压。廖解释说，要产生有用的电压，需要打开带隙。

“你希望这种材料具有一定的能量范围，电子无法传导。这被称为带隙，”他说。由于带隙的存在，电子的自由流动受到了阻碍，因此材料两端的温度差会产生足够的电“压力”(即电压)。在块状砷化镉晶体中，没有带隙。

幸运的是，该团队有一个优势，那就是加州大学圣塔芭芭拉分校材料科学家SusanneStemmer的薄膜技术。凭借分子束外延(MBE)方面的专业知识，Stemmer的实验室能够逐个分子地“生长”厚度从几纳米到几微米的高质量材料。事实证明，这对于砷化镉来说尤其有用，因为材料表面的性质与晶体本体的性质不同。

“这种拓扑绝缘体的一个特征是，除了本体材料内部的电子导电状态外，它们还具有表面导电通道，”廖解释说。“有些电子只存在于材料表面，它们可以导电。”

为了为这些拓扑效应奠定基础，Stemmer实验室通过MBE生长了三种不同厚度的高质量薄膜：950nm、95nm和25nm。

“外延砷化镉薄膜的高迁移率使得我们可以通过量子传输测量揭示其拓扑性质，”斯特默解释道。

研究小组发现，材料越薄，带隙的证据就越多。而且，材料越薄，表面效应就越占主导地位。

“基本上，如果你进入非常低的维度，量子力学就会开始发挥作用，你实际上可以通过缩小尺寸来打开带隙，”廖说，这是由于一种称为量子限制的现象。他们还发现，材料越薄，热电灵敏度(称为塞贝克系数)越高，从而产生更大的电压以响应温度梯度，与最先进的材料相比，响应增强了七倍。

这些量子效应是在接近零度的温度下发现的，因此虽然目前Cd3As2薄膜不能用于室温或高热效率应用，但它们可以更直接地应用于低温环境，这存在于航空航天、医学和量子计算等许多应用中。

他说：“如果你使用非常高效的固态材料进行冷却，你就不需要危险且污染环境的制冷剂。”

“实际上，这对于低温、低温、固态冷却来说是一个非常有用的发现，”他补充道，“但从根本上说，这项工作更为重要，因为我们首次证明了这种量子限制效应可以增强一些热电性能，并且我们首次将贡献从表面态中分离出来。”