张清杰&杨继辉 Nature子刊：磁性热电材料中的磁电相互作用及其传输特性

yuanyukun888 8年前 (2016-10-17) 8861浏览

【引言】

热电材料由于其可以将工业废热和汽车尾气热量等转化为电能，因此吸引了研究者极大的关注，并可以应用于下一代集成电路的高效冷却和全谱太阳能发电装置中。热电材料的性质主要由品质因数ZT决定，许多能带结构工程已经被应用于优化材料的电学特性。然而，热电材料内部的固有激发会削弱其在高温下的性质，因此，如何减弱或者避免热电材料在固有激发区域内的性能衰减就成为了一个关键问题。

【成果简介】

近日，来自武汉理工大学张清杰教授和华盛顿大学杨继辉教授（共同通讯作者）等人对磁性热电材料中的磁电相互作用及其传输特性进行了研究。

根据麦克斯韦电磁学理论，带电粒子（电子和空穴）会沿着循环路径或螺旋线运动，并由于洛伦兹力，带电粒子会被物质中的磁性杂质所捕获。在以往的研究中，不管是半导体材料还是各种热电材料，要想获得优异的电学性能，就得去除其中的磁性杂质。这就限制了磁性热电材料的发展和研究。本文中就利用永磁纳米颗粒从铁磁性向顺磁性转变的思路来减弱热电材料在固有激发区域内的性能衰减。实验中选取CoSb3作为热电材料网络，并用BaFe12O9作为永磁体去制备一系列的磁性热电纳米颗粒。CoSb3具有优异的热稳定性，同时也是一种无铅热电材料。而BaFe12O9是一种重要的永磁体，并且具有很强的磁各向异性，较高的居里温度以及较大的矫顽力。通过这种纳米结构可以调节BaFe12O9的居里温度，并提高其矫顽力，从而捕获更多的电子，增强其电学特性。

实验结果表明，材料的电子传输特性由BaFe12O9的磁性转变决定。BaFe12O9会在居里温度以下将电子捕获并在居里温度之上将其释放，充当了“电子存储器”。此外，BaFe12O9纳米颗粒还会产生两种电磁效应：一是电子的螺旋运动，二是磁子拖曳产生的热能，与此同时，还会增强声子的散射。

【图文导读】

图1 产物的场发射扫描电镜图

图（a）是Ba0.3In0.3Co4Sb12网络的场发射扫描电镜图，图（b）和图（c）分别是MNC45的场发射扫描电镜图和高分辨透射电镜图。

图2 在300-775K温度区间内的霍尔效应数据

图（a）、图（b）和图（c）分别是xBaFe12O19/Ba0.3In0.3Co4Sb12的温度依赖的霍尔效应常数、载流子浓度和载流子迁移率。

图3 在300-850K温度区间内产物的电学和热学传输特性

图（a-f）分别是xBaM/Ba0.3In0.3Co4Sb12的温度依赖的电导率（a）、塞贝克系数（b）、热导率（c）、载流子热导率（d）、晶格热导率（e）以及ZT品质因数。图（b）中的小图是温度依赖的功率系数。

图4 M型BaFe12O19的居里温度

M型BaFe12O19在磁场强度为0.6T（黑线）和2.0T（红线），温度范围为300-800K之间的磁化率。小图为M型BaFe12O19分别在温度约为669K，磁场强度为0.6T和温度约为673K，磁场强度为2.0T时的居里温度。

图5 磁化前后的电学传输特性

图（a）和图（c）分别为MNC00和MNC35在磁化前后的电导率-温度图，图（b）和图（d）分别为MNC00和MNC35在磁化前后的塞贝克系数-温度图。图中表明电导率和塞贝克系数均随温度的改变而发生变化。对于MNC00和MNC35电导率和塞贝克系数的测量均是在强度为0.2T的磁场中沿A，B和C方向磁化24h后得到的。