[发明专利]基于拓扑绝缘体的热电结构与装置

说明书

本申请案要求题为“基于拓扑绝缘体的热电结构与装置”的，2013年12月2日提交的第61/910,541号美国临时申请，以及2014年3月12日提交的第14/207,478号美国临时申请的权益，所述申请案以引用方式并入本文中。

技术领域

所公开的实施例主要涉及热电结构与装置。更明确地说，是基于拓扑绝缘体的热电结构与装置。

背景技术

全世界对于能源的需求在迅速增长。同时，人们也越来越关注由于燃烧天然气、油和煤等传统化学能源所引起的环境问题。最近几年，有大量的研究正在寻求可以替代的绿色能源。人们在很久以前就已经发现，热电效应可以直接实现热和电的相互转换，提供一个可行的发电或制冷的替代途径。寻求有效进行热-电转化的高性能热电材料，是材料科学领域长期追求的目标。[Electronic refrigeration，vol.76(Pion London，1986)；adv.Mater.19，1043(2007)；Nat.Mater.7，105(2008)]

热电转换效率依赖热电材料的热电品质因子zT。而zT值是一些相互冲突的物理量的组合。在标准的定义中，zT被表述成

zT=σS2Tκ]]>

其中σ为电导率，S是塞贝克系数，T是绝对温度，而热导率κ是由电子贡献的κ_e和由晶格振动贡献的κ_l两者的总和。要提高zT值，需要高的电导率σ，大的塞贝克系数S及低的热导率κ。通常，增加电荷载流子浓度，会提高电导率σ但降低塞贝克系数S。而且，提高电导率σ同时引起热导率κ变大。因此，修改任何一个参数可能会产生一些相互抵消的效应，使得zT值得不到明显改善。[Electronic refrigeration，vol.76(Pion London，1986)]因此，改进热电品质因子是材料科学领域的最大挑战之一。

最近发现新型的量子物质态，拓扑绝缘体(TI)[Rev.Mod.Phys.82，3045(2010)；Rev.Mod.Phys.83，1057(2011)]，为追寻高zT的拓扑绝缘体材料带来曙光。如何优化拓扑绝缘体结构以大幅度提升zT值成为一个大的挑战。

发明内容

所提出的方法与设备是用以提高基于拓扑绝缘体的热电结构与装置的热电品质因子(zT值)。本发明中一个新颖的方面是，提供了横截面积为A，沿着纵向方向的电子及热的传导路径的长度为L的拓扑绝缘体。拓扑绝缘体包含有一个有绝缘能隙的体态及一个没有能隙、免于受到任何时间反演不变地微扰的边缘态。在一个实施例中，拓扑绝缘体的zT值会随着L的加长及A的减小而增大。在另一个实施例中，拓扑绝缘体结构的L大于其非弹性平均自由程λ。在一个实施例中，拓扑绝缘体是一个二维拓扑绝缘体，有一维边沿态，并且通过将这个二维拓扑绝缘体的宽度减小至该拓扑绝缘体的局域化宽度ξ的大约三倍，zT值会增加。在另一个实施例中，拓扑绝缘体是三维拓扑绝缘体，有二维表面态，并且通过将这个三维拓扑绝缘体的厚度减小至其局域化宽度ξ的大约三倍时，zT值会增加。

本发明的一个新颖的方面，是通过改变拓扑绝缘体的费米能级以提高zT值。在一个实施例中，在拓扑绝缘体中引入化学掺杂，使得上述拓扑绝缘体的费米能级，对于P型拓扑绝缘体低于体态价带最大值(bulk valence band maximum)大约0至3倍kBT，或是对于N型拓扑绝缘体高于体态导带最小值(bulk conduction band minimum)约0至3倍kBT。在另一个实施例中，拓扑绝缘体由材料(BixSbl-x)2Te3所组成。通过设定x在大于零且小于一之间来调整成分，使得对于P型拓扑绝缘体而言，拓扑绝缘体具有大约低于体态价带最大值0至3kBT的费米能级，或是对于N型拓扑绝缘体而言，拓扑绝缘体具有高于体态导带最小值0至3kBT的费米能级。在一个实施例中，对于P型拓扑绝缘体，x被设定在0至0.1之间；对于一个N型拓扑绝缘体，x则被设定在0.9至1之间。