High thermoelectric power factor through topological flat bands
Fabian Garmroudi, Illia Serhiienko, Simone Di Cataldo, Michael Parzer, Alexander Riss, Matthias Grasser, Simon Stockinger, Sergii Khmelevskyi, Kacper Pryga, Bar… 展开作者
Fabian Garmroudi, Illia Serhiienko, Simone Di Cataldo, Michael Parzer, Alexander Riss, Matthias Grasser, Simon Stockinger, Sergii Khmelevskyi, Kacper Pryga, Bartlomiej Wiendlocha, Karsten Held, Takao Mori, Ernst Bauer, Andrej Pustogow
Thermoelectric (TE) materials are useful for applications such as waste heat harvesting or efficient and targeted cooling. While various strategies towards superior thermoelectrics through a reduction of the lattice thermal conductivity have been developed, a path to enhance the power factor is pressing. Here, we report large power factors up to 5 mW m$^{-1}$ K$^{-2}$ at room temperature in the kagome metal Ni$_3$In$_{1-x}$Sn$_x$. This system is predicted to feature almost dispersionless flat bands in conjunction with highly dispersive Dirac-like bands in its electronic structure around the Fermi energy $E_\text{F}$ [L. Ye et al., Nature Physics 1-5 (2024)]. Within this study, we experimentally and theoretically showcase that tuning this flat band precisely below $E_\text{F}$ by chemical doping $x$ boosts the Seebeck coefficient and power factor, as highly mobile charge carriers scatter into the flat-band states. Our work demonstrates the prospect of engineering extremely flat and highly dispersive bands towards the Fermi energy in kagome metals and introduces topological flat bands as a novel tuning knob for thermoelectrics.
Can 1D topological states explain the extraordinary thermoelectric properties of Bi 2 Te 3 ? An exact analytical solution in the Tomonaga-Luttinger liquids (TLLs) framework
拓扑绝缘体通常也是最知名的热电材料之一。最近的研究发现，在三维拓扑绝缘体中，每一个斜位错都可以具有一对一维拓扑态，即螺旋TLL。我们推导出了TLL中热电Seebeck系数的精确解析公式，并研究了Bi 2 Te 3的这些一维拓扑态在多大程度上可以归因于其出色的热电性能。为此，我们采取了一个密集的位错网络模型，并找到一个解析公式的1D（TLL）和3D电子状态之间的重叠。我们的研究是适用于弱n掺杂的Bi 2 Te 3，但也更广泛的一类纳米结构材料与人工创建的一维系统。此外，我们的结果可以用于在有限的频率设置，例如，捕获运输激活的光激发。
Magnetic-field enhanced high-thermoelectric performance in topological Dirac semimetal Cd$_3$As$_2$ crystal
热电材料可用于通过塞贝克效应将热量转换为电功率。研究了三维狄拉克半金属Cd $_3$ As $_2$晶体的磁热电优值。研究发现，虽然磁电阻率大大增加，但通过磁场可以同时实现功率因数的提高和热导率的降低。在7特斯拉的垂直磁场作用下，在350 K附近，ZT值从0.17提高到1.1，提高了6倍以上。磁场对ZT的极大增强是由于Cd $_3$ As $_2$中具有大的费米速度和大的电热导率的线性狄拉克带。我们的工作为大幅度提高量子拓扑材料的热电性能开辟了一条新的途径。
Doping-induced topological transition and enhancement of thermopower in the Dirac-semimetal system Cd$_{3-x}$Zn$_x$As$_2$
Cd $_3$ As $_2$是一种典型的拓扑狄拉克半金属。在这里，我们操纵负责狄拉克节点的出现合金镉$_3$作为$_2$与拓扑平凡的锌$_3$作为$_2$的能带反转。我们观察到预期的拓扑相变周围的Zn浓度的$x\sim 1$，而载流子密度单调下降，作为$x$增加。对于较大的$x$，热电优值在室温下表现出超过0.3的极大值，这是由于热电势的强烈增强、电阻率的仅适度增加和热导率的抑制的综合效应。互补的量子振荡数据和光学电导率测量允许推断，增强的热电性能是由于在Cd $_{3-x}$ Zn $_x$ As $_2$中的较高$x$区域中的能带结构的平坦化。
High-Performance Thermoelectric Oxides Based on Spinel Structure
高性能热电氧化物可以为传感和电子行业的集成和嵌入式应用提供很好的能源解决方案。然而，当与其他类别的热电材料相比时，氧化物通常具有低的塞贝克系数。在寻找高性能的热电氧化物，我们提出了一个全面的密度泛函调查，GGA $+U$形式主义的基础上，调查的3D和4D过渡金属含铁氧体的尖晶石结构。因此，我们预测MnFe $_2$ O $_4$和RhFe $_2$ O $_4$在近室温下具有$\sim \pm 600$ $μ$ V K $^{-1}$的Seebeck系数，通过轻空穴和电子掺杂实现。此外，CrFe $_2$ O $_4$和MoFe $_2$ O $_4$在$\sim \pm 700$ $μ$ V K $^{-1}$下具有甚至更高的环境塞贝克系数。在后一种化合物中，塞贝克系数近似为温度至$\sim 700$ K的平坦函数，提供了极大的操作便利。另外，掺杂有$10^{19}$空穴/cm $^3$的MoFe $_2$ O $_4$在$300$ K下具有计算的热电功率因子$689.81$ $μ$ W K $^{-2}$ m $^{-1}$，并且在$600$ K下具有计算的热电功率因子$455.67$ $μ$ W K $^{-2}$ m $^{-1}$。这里预测的热电性能可以使这些热电氧化物在较低温度下的应用，传统上由毒性更大和其他负担更重的材料来实现。
Large Anomalous and Topological Hall Effect and Nernst Effect in a Dirac Kagome Magnet Fe3Ge
Ningbo University（宁波大学）；Michigan State University（密歇根州立大学）；Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；Zhejiang University of Technology（浙江工业大学）
Fe3Ge单晶表现出大异常霍尔效应和能斯特效应，其横向热电导率达4.6 A m^-1 K^-1，源于Dirac间隙的 Berry 曲率，同时拓扑霍尔电阻率和能斯特系数也显著，展示了动量和实空间中 Berry 阶段的联合影响。
