研究人员已证明了一种利用二硅化钨将热能转化为电能的新方法，这种方法为制造更高效的热电装置提供了可能，而热电装置有望大幅提高各种应用中的能源效率。

热电材料可将热能转换为电能，在捕获余热并将其转化为可用电力方面发挥着至关重要的作用。这些材料在发动机产生大量余热的工业和车辆领域尤其有益，它们通过产生额外的电力来提高能源效率。同时，这些材料在便携式电源应用方面（如远程传感器和卫星）也颇具前景，在这些领域，传统电源可能不太可行。

探索横向热电装置

传统热电装置（即并联热电装置）产生的电压方向与热流方向相同。这些装置依赖于两种并联材料，即P型材料和N型材料，它们分别产生方向相反的电压。当它们串联连接时，会产生更强的电压，但这种配置会增加接触点的数量，从而导致更高的电阻和能量损失。

另一方面，横向热电装置产生的电流与热流方向垂直，具有显著优势。由于接触点较少，这些装置能够实现更高效的能量转换。这类装置中一种很有前景的材料是具有“轴依赖传导极性”（ADCP）的材料，也称为角极导体。这些材料在一个方向上传导正电荷（P型），在另一个方向上传导负电荷（N型）。然而，尽管具有这些潜力，但横向热电效应（TTE）却鲜有研究——直到现在。

横向热电转换的突破

基于这一观点，来自日本的一个研究团队实现了半金属二硅化钨（WSi2）中的拓扑热电效应（TTE）。该研究团队由东京理科大学（TUS）物理与天文系的冈崎隆二副教授领导，成员包括东京理科大学的冈岛昭也和来自埼玉大学的佐藤佳树博士。尽管先前的研究表明WSi2具有反常能斯特效应（ADCP），但其起源和预期中的拓扑热电效应尚未在实验中得到证实。

“横向热电转换是一种正在受到关注的现象，被视为能够测量温度和热流传感器的全新核心技术。然而，这类材料数量有限，且尚未建立设计规范。这是WSi2中横向热电转换的首个直接证明，”冈崎教授解释道。

他们的研究已于2024年11月13日发表在《PRX能源》期刊上。

二硅化钨研究见解

研究人员通过物理实验和计算机模拟相结合的方法，分析了WSi₂的特性。他们测量了WSi₂单晶沿其两个晶体轴在低温下的热电势、电阻率和热导率。他们发现，WSi₂的反常能斯特-科勒尔-庞亭效应（Anomalous Nernst-Ettingshausen-Peltier effect，简称ADCP）源自其独特的电子结构，即以混合维度的费米面为特征。该结构表明，电子和空穴（正电荷载流子）存在于不同的维度中。

费米面是一个理论几何表面，它将固体材料内部载流子的占据态和非占据态电子态分隔开。在WSi2中，电子形成准一维费米面，空穴形成准二维费米面。这些独特的费米面产生了方向特定的导电性，从而实现了横向热电效应（Transverse Thermoelectric Effect，TTE）。

研究人员还观察到，这些电荷载流体在不同样品中的导电方式存在差异，这与之前的研究结果一致。研究人员利用基于第一性原理的模拟表明，这些差异是由于WSi₂晶体晶格结构缺陷导致的电荷载流体散射方式的不同。这一见解对于微调材料和开发可靠的热电装置至关重要。此外，他们通过沿相对于两个晶体轴的特定角度施加温差，证明了WSi₂中直接温差发电（TTE）的产生，从而在垂直于温差的方向上产生了电压。

“我们的研究结果表明，WSi2有望成为基于横向热电效应（TTE）器件的优选材料。我们希望通过这项研究能够开发出新型传感器，并发现新的横向热电材料，”冈崎教授说道。

本研究阐明了WSi2中热电效应（TTE）的产生机制，朝着开发能够将热量更高效转化为电能的先进材料迈出了重要一步，从而引领我们走向更加环保的未来。

参考文献：《混合维度半金属WSi2中的横向热电转换》，作者：小住直哉、佐藤嘉之、冈崎隆二，发表于2024年11月13日，PRX Energy期刊。DOI：10.1103/PRXEnergy.3.043007