近日，我院声子学与热能科学中心陈志炜博士后在深低温区热电制冷领域取得重要研究进展。该研究报道的新型热电材料Mg₂Pb在10~100 K的制冷/热泵功率达到1 Wg^-1，相较传统制冷手段具有明显优势。相关研究成果以“Leveraging bipolar effect to enhance transverse thermoelectricity in semimetal Mg2Pb for cryogenic heat pumping “为题，发表于国际知名期刊《自然·通讯》（Nature Communications, 12, 3837 (2021)）。

深低温制冷技术（<120 K）在多个领域扮演着重要角色。目前，传统热电材料的深低温区性能较低制约了热电技术在该温区的应用。其核心原因为：尽管电子和空穴都是热电转换的能量载子，但在传统纵向工作模式下，电流和热流同向使得电子和空穴共存时各自的帕尔贴效应正负抵消（图1a），导致帕尔贴制冷材料通常为重掺杂半导体，至多有效利用其中的一种载流子。也就是说，双极扩散效应在纵向上表现为电子空穴的相互制约，是纵向工作模式下的热电性能杀手。而在横向工作模式上，利用磁场或等效磁场干预电子空穴的分布流向使热流电流异向流动，可实现双载流子协同贡献热电转换，使得双极扩散效应成为提升热电性能的突破口（图1b）。

图1 图解线性响应框架下a双极扩散效应抑制纵向热电性能，以及b双极扩散效应增强横向热电性能。

最大化双极扩散效应的关键则在于霍尔或热霍尔效应的完全消除（图2a）。本工作在Mg₂Pb半金属中证实这一提升材料横向热电性能的策略。通过能带设计以及费米能级调控，使该材料在30 K实现了高达400 mWcm^-1K^-2的横向功率因子（图2b），是其纵向功率因子的3个数量级以上，预估的比制冷功率为1 Wg^-1，在现有的热泵/制冷技术之中极具竞争力（图2c）。此外，该策略有望使大量受到双极扩散效应制约（低纵向性能）的窄带隙半导体或半金属材料成为潜在的高性能热电材料（高横向性能），或为热电技术在深低温区的拓展应用提供候选材料。

图2 a 图解双极扩散效应增强横向热电性能的理想电子能带结构。b 半金属Mg₂Pb中纵向和横向热电功率因子（PF）的磁场依赖。c 对比不同制冷技术的比制冷/热泵功率及其温度依赖。

我院声子学与热能科学中心陈志炜（博新计划博士后）为第一作者，任捷教授为博士后合作导师，陈粤教授、贺健教授也对本项工作做出了重要贡献，同济大学材料科学与工程学院裴艳中教授以及上海硅酸盐研究所陈立东研究员为共同通讯作者。该工作受到国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目、青年基金、博士后创新人才支持计划、上海市科委等项目资助。

文章信息：Chen, Z., Zhang, X., Ren, J. Zeng, Z., Chen, Y., He, J., Chen, L. and Pei, Y. Leveraging bipolar effect to enhance transverse thermoelectricity in semimetal Mg₂Pb for cryogenic heat pumping. Nat Commun 12, 3837 (2021). 链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24161-1