热电材料可以实现将废弃的热能转化为有用的电能，是重要的下一代能源材料。热电转换效率是评估热电材料的重要指标，而热电转换率取决于材料的热电优值。
日前，北京高压科学研究中心的陈晓嘉研究员带领的研究小组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条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了曙光。相关结果以“Enhancement of thermoelectric performance across the topological phase transition in dense lead selenide”为题于10月7日发表于著名学术期刊Nature Materials《自然材料》。
热电材料在废热发电，手机等微电子设备的制冷等方面具有广泛的应用前景。研究发现当热电优值大于3时，热电器件的热电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，近二十年来借助纳米工程化技术降低热导率，科学家在多种热电材料高于500摄氏度的中高温区获得了超过2的热电优值。而对于解决像手机这样微电子器件的发热问题，迫切需要寻找室温下能够显著提高热电优值的方法。
陈晓嘉研究员带领的研究小组选择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研究了压力对热电材料的热电性能的调控作用。他们发现随着压力的增加，Pb0.99Cr0.01Se的热电优值缓慢上升，到大约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。
热电表现与拓扑相变关系
该研究小组进一步的高压原位X射线衍射，拉曼光谱，电阻等的测量及理论计算表明在最高热电优值压力（3万大气压）附近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。“拓扑晶体绝缘体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”，陈晓嘉研究员说到。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。
压力驱动的硒化铅拓扑相变带来热电优值的增强
“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，我们这项研究为优化热电材料的性能提供了一条新思路，有望为热电材料的实际应用起到推动作用”，陈晓嘉研究员解释道。
“It remains to be seen if the surface states can be utilized for better thermoelectrics – a fashion like argument that come and gone several years ago – until it is realized in bulk topological materials at ambient states that would attest the value/impact of this study to the thermoelectric community”, 审稿人对该工作的高度评价。
该论文的第一作者是北京高压科学研究中心的博士生陈刘诚，该中心的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，以及美国华盛顿卡内基研究院和麻省理工学院的学者。
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。
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%铬掺杂的硒化铅作为研究对象，借助金刚石对顶砧高压装置，通过自主研发的高压热电性质综合测量系统，获得了像山峰一样的热电优值随压力变化的表现形状。他们发现，在施加压力作用下，热电优值先如爬坡般增加，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。
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。
论文信息
Enhancement of thermoelectric performance across the topological phase transition in dense lead selenide
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0499-9
