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朱增伟教授团队在能斯特热电装置的新型设计上取得突破性进展
发布时间:2021-04-13

4月12日,国际权威期刊《先进材料》(Advanced Materials)在线刊发了物理学院强磁场物理研究所朱增伟教授团队题为“具有双性基元的单一材料能斯特热电堆”(A Monomaterial Nernst Thermopile with Hermaphroditic Legs)的研究论文。我校为论文唯一通讯单位,博士后李小康为论文第一作者兼通讯作者,朱增伟教授为共同通讯作者,巴黎高等物理化工学院Kamran Behnia教授参与相关研究工作。

图中,a)塞贝克热电堆;b)V形状的倾斜双晶(双基元);c)倾斜能斯特热电堆。

热电转化技术是一项环境友好型技术,可用于废热回收、太阳能利用、热通量探测等领域。热电堆装置是热电转化技术的核心,传统热电堆是一组基于塞贝克效应(Seebeck effect)的热电偶阵列(如图中a所示),在纵向温度梯度的作用下,N和P型两种不同的热电基元内部将感应出不同朝向的热电势;通过导体将若干彼此相邻的N和P型热电基元连接,即可将由热能转为而得的电能进行导出并利用。传统热电堆因其原理简单、信号突出,一直备受研究者的广泛关注,但也面临着两大工艺难题。一是热电堆阵列需要同时使用两种热电材料和一种导体材料,并且构造复杂,使得其工艺制备成本高昂。二是连接N和P型两种不同热电材料将产生大量的接触电极,接触电极所引入的接触电阻将极大增加热电堆内阻,使能量在内部被耗散;接触电极所引入的热阻将严重阻碍纵向温差的建立,降低热能的使用效率;同时,在接触电极处的机械应力、热膨胀系数等性质不匹配也将严重影响热电堆的使用寿命。因此,工艺成本和接触问题严重阻碍了热电堆装置的大规模工业化应用。

反常能斯特效应(anomalous Nernst effect)是一种横向热电效应,横向热电势同时垂直于自发磁化和温度梯度。该研究中,朱增伟教授团队基于V形状的倾斜双基元结构(如图中b所示),设计出了一种可将拓扑磁体横向自发磁化方向相邻基元自动交替的新型反常能斯特热电堆装置(如图中c所示)。由于此新型装置只需使用单一材料进行制备,且具有无接触电极、工艺简单等特点,有望为解决传统热电堆的两大工艺难题提供新思路。此外,该研究还通过实验直接验证了此模型的可行性,并通过纵横比(Aspect ratio)依赖的平面霍尔效应(Planar Hall effect)和滞后角(Lag angle)实验揭示了非共线反铁磁体Mn3Sn横向自发磁化行为的物理机制。

近年来,借助于脉冲强磁场设施的有利平台,朱增伟教授团队在低温强磁场下半金属奇异量子物态研究领域取得了一系列重要研究成果,通过发挥平台的科研育人作用,培养出了包括李小康在内的一批优秀学生。李小康于2016年保送我校物理学院攻读博士学位,博士期间曾受邀参加美国物理学会三月会议(APS March Meeting)并做邀请报告,2020年博士毕业后继续留校从事博士后研究,并入选博士后创新人才支持计划,截止目前以第一作者(唯一)发表高水平论文5篇,包含《物理评论快报》2篇(2017, 2020)、《自然·通讯》1篇(2019)和《先进材料》1篇(2021)。

该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、博士后创新人才支持计划、博士后面上基金、湖北省博士后创新研究岗位等资助。同时,感谢武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室杨东旺博士在传统热电研究现状分析上提供的帮助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202100751

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