东京理工学院(Tokyo Tech)的科学家们证明，打破热电和电导率之间的权衡问题可以改善热电性能。他们建议在Mott绝缘子氧化物tio3中引入晶格应变，将电子态转化为金属态，并提高热电效率和电导率，从而使功率因数增加100倍，从而使废热更有效地转化为电能。他们的发现可能有助于确保一个更节能的未来。

近年来，发达国家的能源消耗相当浪费。近三分之二的总能量通常被作为“废热”丢弃，最终导致全球变暖。找到一种有效利用这种热量的方法已经成为每个材料研究人员最近的优先考虑的问题。

将废热转化为电能的一种可能方法是通过“热电转换”——利用半导体中的温差将废热转化为电能。热电功率(S)是一种测量感应热电电压的大小，以响应跨越材料的温差。功率因数(PF)是热电功率(S)的平方与电导率(σ)的乘积。因此，高功率(PF)能够将大S与高σ结合在热电材料中。

然而，PF受到S和σ之间的平衡的约束。σ和S随载流子浓度的增加而增大，σ随杂质浓度的增加而增大，S随杂质浓度的增加而减小。这种权衡限制了PF。

在最近发表在《先进科学》杂志上的一项研究中，由东京工业大学的Katase副教授领导的一组科学家发现了一种打破这种平衡的方法。科学家们在不同的衬底上生长了Mott绝缘子氧化物tio3薄膜，并找到了引入外延应变的方法，这种外延应变是由衬底晶格结构和沉积的(外延)薄膜的不匹配产生的。人工压缩应变可以使tio3由Mott绝缘体转变为金属。在金属态下，S和σ的增加使PF的含量增加了100倍。Katase博士说:“与传统的杂质掺杂方式不同，σ和S的行为在晶格拉伸的LaTiO3薄膜中明显解耦，这导致了功率因数的惊人提升，这是传统的观点所无法理解的。”

增大外延压缩应变可使载流子极性由p型转变为n型。Katase博士和他的团队发现，在压缩应变下，热电功率的绝对值随着载流子浓度的增加而增加，电子导电性也随着载流子迁移率的增加而增加，这是由于电子结构从Mott绝缘体到金属的改变。密度泛函理论计算表明，在p型LaTiO3薄膜中，Ti 3d能带分裂形成能隙，而在n型薄膜中，能隙闭合，导致电导率和热电功率异常同时增大。

这一发现有望推动热电材料领域的发展。“我们的实验表明，外延性应变将成为一种新工具，通过打破平衡问题，从体积不明显的热电氧化物中获取大功率因数。金属硫族化合物如Bi2Te3已被认为是高性能热电材料，但硫族化合物存在有毒元素、热化学稳定性低的问题，限制了热电的大规模使用。相反，由于氧化物在空气中甚至在高温下都是稳定的，因此它们非常适合于免维护的热电转换应用。这一阶段的热电转换效率远低于金属硫族化合物。但是，通过大大提高氧化物的热电性能，热电转换有望成为一种普遍的能源。”Katase博士总结道。

参考

作者:Takayoshi Katase ^1，2，*欣怡,他 ¹多田野,Terumasa ³——简·m·汤姆克耶克 ⁴高木,onozato ⁵,圭佑Ide ¹冯,本 ⁶, Tetsuya Tohei ⁷, Hidenori一品” ^{1, 8}研究员合作,Hiromichi ⁵,祐一Ikuhara ⁶, Hideo细野豪志 ⁸，神谷俊雄 ^1、8*原论文标题:《热电联产公司的断裂》 LaTiO的电导率交换 ₃电影围绕莫特绝缘体给我 tal transitio 《高级科学》doi:10.1002/advs。202102097社会兼职:

1东京工业大学材料与结构实验室

日本科学技术振兴院

3日本国立材料科学研究所，日本

4维也纳理工大学固体物理研究所

5北海道大学电子科学研究所

东京大学工程创新研究所

7大阪大学工学研究生院

8东京工业大学元素战略材料研究中心