砷化镉薄膜非凡热电性能的首次综合表征

如果说有一件事我们人类擅长的话，那就是产生热量：大量的热量，在许多情况下，我们产生并投入系统的大部分能量都会作为热量流失，无论是我们的电器、交通工具、工厂，甚至电网。

“废热无处不在，”加州大学圣巴巴拉分校专门研究热科学和可再生能源的机械工程教授廖博林说。“我们的发电厂、汽车排气管——有很多地方会产生多余的热废物。”

目前，我们对如何充分利用这些散发的热量相当有限。但廖和加州大学附属学院的同事，以及俄亥俄州立大学和香港大学的合作者，在利用这种热量方面取得了进展，首次对高质量砷化镉薄膜的热电性能进行了全面表征

“如果我们能收获余热，那就太棒了，”他说。“这将真正提高我们的能源效率，也是一种真正可持续的能源。”

该团队的研究发表在《先进材料》杂志上

一种更好的热电材料

廖说：“为了获得高效率，我们需要这种材料在给定的温差下导电良好，导热不良，并产生高电压。”。较差的热传导使散热最小化，同时保持材料上的温差，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

这种电输运和热输运特性的结合是理想的，但根据廖的说法，“在实践中很难实现”。

进入砷化镉（Cd3As2），这是一种具有良好输运特性，特别是低热导率和高电子迁移率的狄拉克半金属

“我们对这种材料非常兴奋，我们想，‘好吧，这真的是这两种伟大特性的结合，’”廖说。“但只有一个问题。这个问题是，除了导电性好和导热性差之外，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，砷化镉非常擅长快速导电，但它只会产生很小的塞贝克电压。廖解释说，为了产生有用的电压，需要打开一个带隙

“你希望这种材料具有一定的能量范围，在这个范围内电子不能传导。这被称为带隙，”他说。由于间隙基本上阻碍了电子的自由流动，因此可以建立足够的电“压力”（也称为电压）来响应材料上的温差。在块状砷化镉晶体中，不存在带隙

幸运的是，该团队有一个优势，那就是加州大学旧金山分校材料科学家苏珊·斯特默的薄膜技术。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“生长”厚度从几纳米到几微米不等的高质量材料。事实证明，这在砷化镉的情况下特别有用，因为材料表面的性质与晶体主体的性质不同

＜p＞廖解释道：“像这样的拓扑绝缘体的一个特征是，除了大块材料内部的电子导电状态外，它们还有表面导电通道。”。“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实验室制作了三种不同厚度的MBE生长的高质量薄膜：950 nm、95 nm和25 nm

Stemmer解释道：“砷化镉外延膜的高迁移率允许通过量子输运测量揭示其拓扑性质。”

研究小组发现，材料越薄，就越有证据表明存在带隙。而且，材料越薄，表面效应就越占主导地位

廖说：“基本上，如果你去到非常低的维度，量子力学开始发挥作用，你实际上可以通过缩小尺寸来打开带隙。”这是由于一种被称为量子约束的现象。他们还发现，材料越薄，热电灵敏度（称为塞贝克系数）就越高，从而产生更多的电压来响应温度梯度，与最先进的材料相比，这种响应增强了七倍

廖说，这些量子效应是在接近零度的温度下发现的，因此，尽管目前Cd3As2薄膜不能用于室温或高热效率应用，但它们可以在低温环境中更直接地发挥作用，低温环境存在于许多应用中，如航空航天、医学和量子计算

“如果你使用一种非常高效的固态材料进行冷却，你就不需要危险和污染的制冷剂，”他说

“实际上，这对低温、深冷、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，这项工作更重要，因为我们首次证明了这种量子约束效应可以增强一些热电特性，也首次将其贡献与表面态分离开来。”