탄도 정상의 열전 특성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14263(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

Weyl 반금속은 뛰어난 물리적 특성을 지닌 새로운 종류의 토폴로지 재료입니다. 우리는 두 개의 수직 접점에 연결된 탄도 Weyl 반금속 표본의 열전 특성을 조사합니다. 우리는 접합의 열전 계수를 평가하고 Weyl 반금속의 키랄 축을 따르는 방향과 그에 수직인 두 가지 방향을 따라 그 특징을 분석하는 모델을 소개합니다. 우리는 이 접합의 열전 반응이 Weyl 반금속의 키랄 축을 따라 있는지 여부에 따라 달라짐을 입증합니다. 이 접합의 전기 및 열 전도도는 Weyl 반금속 층의 길이와 화학적 전위에 상당한 의존성을 나타냅니다. 특히, 정상 접점에서 화학적 전위를 감소시키면 접합부의 Seebeck 계수와 열전 성능 지수가 상당한 값으로 향상된다는 것을 관찰했습니다. 따라서 우리는 Weyl 반금속의 탄도 접합이 열 에너지 수확을 위한 미래 열전 장치에 적용하기 위한 기본 세그먼트 역할을 할 수 있음을 공개했습니다.

Weyl 반금속(WSM)은 최근 엄청난 관심을 끌고 있는 새로운 종류의 토폴로지 물질입니다1. WSM의 에너지 분산에서 전도대와 가전자대는 짝수 개의 Weyl 노드에서 서로 접촉하고 그 주위에 선형 분산을 갖습니다. Weyl 노드의 수와 키랄성은 재료의 대칭 클래스에 따라 지정됩니다4. WSM은 Weyl 노드 주변에 페르미 표면과 같은 점이 있거나 개방형 페르미 표면이 있는지 여부에 따라 유형 I5와 유형 II6으로 분류됩니다. 키랄 이상7, 비정상적인 홀 효과8,9, 음의 자기 저항10 및 비정상적인 네른스트 효과11와 같은 일부 새롭고 이국적인 현상이 WSM에서 관찰되었습니다.

열은 대부분의 장치에서 방출되며 주로 낭비되거나 장치 과열로 인해 기능에 방해가 됩니다. 열전 효과(TE)는 열-전압 변환을 통해 장치의 재생 에너지 수확 및 에너지 폐기물 분류뿐만 아니라 온도 측정, 냉동과 같은 기타 응용 분야에서도 유망합니다. 열전 효율이 높은 열전 재료는 폐열을 유용한 전기로 변환할 수 있습니다14,15. 온도 구배로부터 전력을 생성하는 시스템의 효율성은 열전 계수에 의해 결정됩니다16. Seebeck 계수는 시스템에 연결된 두 저수지 사이에 유지되는 온도 차이로 인해 유도되는 전류(폐쇄 경계 조건) 또는 바이어스(개방 경계 조건)를 지정합니다. Nernst 계수 또는 가로 Seebeck 계수는 온도 구배와 적용된 자기장 모두에 가로 방향으로 생성된 열 유도 전류(바이어스)를 결정합니다. 높은 열전 반응을 보이는 재료를 식별하는 것은 새로운 발전기 및 냉각기를 개발하는 데 중요합니다. 또한 열전 계수는 전기 전도도보다 열역학적 계수에 대한 상태 밀도의 영향이 크기 때문에 에너지 및 전하의 흐름에 대한 정보를 제공합니다. 따라서 TE를 조사하면 시스템 역학을 탐색하기 위한 강력한 구현이 될 수 있습니다.

WSM 및 Dirac 반금속(DSM)의 열전도도 및 열전력에 대한 전자적 기여는 반고전적인 Boltzmann 접근법을 사용하여 연구되었습니다. 열전도도와 열전력은 이러한 물질의 선형 전자 분산의 특징인 화학적 전위에 흥미로운 의존성을 갖는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 물질은 양자 이상 현상으로 인해 제로 도핑 및 제로 온도에서 매우 특이한 거동을 갖는 것으로 나타났습니다. 양자화 자기장을 받는 DSM 및 WSM의 열전력 및 열전 성능 지수는 포화 없이 필드와 함께 선형적으로 증가하며 매우 높은 값에 도달할 수 있습니다. 기울어진 WSM의 열전력에 대한 베리 곡률 및 궤도 자화의 영향이 조사되었습니다. Weyl 노드의 기울기는 전도성 및 열전력 매트릭스에서 선형 자기장 항을 유도하는 것으로 나타났습니다. 선형 B 항은 B 필드가 틸트 축을 따라 적용될 때 Seebeck 계수에 나타납니다. DSM 및 반전 비대칭 WSM의 Nernst 효과는 반고전적인 Boltzmann 접근 방식 내에서 계산되었습니다. Dirac 지점에서 저온 및 낮은 자기장 Nernst 응답은 Fermi 표면의 베리 곡률의 사소하지 않은 프로파일에서 발생하는 변칙적인 Nernst 효과에 의해 지배되는 것으로 나타났습니다. 또한 기울어진 WSM의 선형화된 저에너지 모델에서 변칙적인 Nernst 및 열 홀 효과가 연구되었습니다.

0\) are parameters that are determined through the experimental or ab-initio calculation results. In this model \(k_z=\pm\) \(k_{0}\) denote the location of the two Weyl nodes in the momentum space. This minimal model gives a generic description of a pair of Weyl nodes with opposite chirality and, hence, all the topological properties of the inversion symmetric WSMs. In contrast, in the case of the time-reversal symmetric WSMs, a minimal model should support at least four Weyl nodes as two time-reversed pairs of nodes. In a ballistic sample with no scattering between the nodes, two pairs of time-reversed nodes treat independently. The only difference between these pairs is the energy shift relative to each other. Hence, the present model describes the contribution of each of these pairs very well, and by some reflection, it is possible to find the total result. The normal contacts can be described by a simple parabolic energy dispersion. Therefore, the following Hamiltonian is assumed to describe the normal contacts,/p>L\)) for incident electron in the first and second states respectively are given by,/p>