張清杰&楊繼輝 Nature子刊：磁性熱電材料中的磁電相互作用及其傳輸特性

yuanyukun888 7年前 (2016-10-17) 7809瀏覽

【引言】

熱電材料由于其可以將工業廢熱和汽車尾氣熱量等轉化為電能，因此吸引了研究者極大的關注，并可以應用于下一代集成電路的高效冷卻和全譜太陽能發電裝置中。熱電材料的性質主要由品質因數ZT決定，許多能帶結構工程已經被應用于優化材料的電學特性。然而，熱電材料內部的固有激發會削弱其在高溫下的性質，因此，如何減弱或者避免熱電材料在固有激發區域內的性能衰減就成為了一個關鍵問題。

【成果簡介】

近日，來自武漢理工大學張清杰教授和華盛頓大學楊繼輝教授（共同通訊作者）等人對磁性熱電材料中的磁電相互作用及其傳輸特性進行了研究。

根據麥克斯韋電磁學理論，帶電粒子（電子和空穴）會沿著循環路徑或螺旋線運動，并由于洛倫茲力，帶電粒子會被物質中的磁性雜質所捕獲。在以往的研究中，不管是半導體材料還是各種熱電材料，要想獲得優異的電學性能，就得去除其中的磁性雜質。這就限制了磁性熱電材料的發展和研究。本文中就利用永磁納米顆粒從鐵磁性向順磁性轉變的思路來減弱熱電材料在固有激發區域內的性能衰減。實驗中選取CoSb3作為熱電材料網絡，并用BaFe12O9作為永磁體去制備一系列的磁性熱電納米顆粒。CoSb3具有優異的熱穩定性，同時也是一種無鉛熱電材料。而BaFe12O9是一種重要的永磁體，并且具有很強的磁各向異性，較高的居里溫度以及較大的矯頑力。通過這種納米結構可以調節BaFe12O9的居里溫度，并提高其矯頑力，從而捕獲更多的電子，增強其電學特性。

實驗結果表明，材料的電子傳輸特性由BaFe12O9的磁性轉變決定。BaFe12O9會在居里溫度以下將電子捕獲并在居里溫度之上將其釋放，充當了“電子存儲器”。此外，BaFe12O9納米顆粒還會產生兩種電磁效應：一是電子的螺旋運動，二是磁子拖曳產生的熱能，與此同時，還會增強聲子的散射。

【圖文導讀】

圖1 產物的場發射掃描電鏡圖

圖（a）是Ba0.3In0.3Co4Sb12網絡的場發射掃描電鏡圖，圖（b）和圖（c）分別是MNC45的場發射掃描電鏡圖和高分辨透射電鏡圖。

圖2 在300-775K溫度區間內的霍爾效應數據

圖（a）、圖（b）和圖（c）分別是xBaFe12O19/Ba0.3In0.3Co4Sb12的溫度依賴的霍爾效應常數、載流子濃度和載流子遷移率。

圖3 在300-850K溫度區間內產物的電學和熱學傳輸特性

圖（a-f）分別是xBaM/Ba0.3In0.3Co4Sb12的溫度依賴的電導率（a）、塞貝克系數（b）、熱導率（c）、載流子熱導率（d）、晶格熱導率（e）以及ZT品質因數。圖（b）中的小圖是溫度依賴的功率系數。

圖4 M型BaFe12O19的居里溫度

M型BaFe12O19在磁場強度為0.6T（黑線）和2.0T（紅線），溫度范圍為300-800K之間的磁化率。小圖為M型BaFe12O19分別在溫度約為669K，磁場強度為0.6T和溫度約為673K，磁場強度為2.0T時的居里溫度。

圖5 磁化前后的電學傳輸特性

圖（a）和圖（c）分別為MNC00和MNC35在磁化前后的電導率-溫度圖，圖（b）和圖（d）分別為MNC00和MNC35在磁化前后的塞貝克系數-溫度圖。圖中表明電導率和塞貝克系數均隨溫度的改變而發生變化。對于MNC00和MNC35電導率和塞貝克系數的測量均是在強度為0.2T的磁場中沿A，B和C方向磁化24h后得到的。