二维半导体黑磷的热电输运性质的研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:leohuo
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本文首先介绍了表征热电性质的一些物理量,包括电阻率、塞贝克系数、热电功率因子、热导率、能斯特系数等,以及影响它们的一些因素。通过介绍典型的热电材料(比如Bi2Te3和SnSe)的晶体结构,能带结构,以及电学和热学输运性质,可以发现很多典型的热电材料是拓扑材料。这个现象很明显不是一个巧合,拓扑材料和热电材料之间肯定存在某种联系。从结构上看,这两种材料都需要重元素和窄带隙的存在。但是,至今没有一个明确的理论给出他们之间的关系。  二维半导体黑磷有着类似石墨烯的层状结构,加压后会经历电子拓扑相变,由能带半导体转变为拓扑半金属,是一个很好的研究热电输运性质和电子拓扑结构关系的材料。本文主要研究了块体黑磷的热输运性质,测量了在较宽温区(2-300K)和一定磁场范围(0-9T)内的电和热输运性质。其中通过电输运测量得出,在250K以下显示为空穴载流子为主的传导行为,同时在低温下有很高的迁移率(接近104cm2/Vs)。通过热输运的测量,我们观测到了层内热导率在25K时为180W/mK。对黑磷而言,这是目前报道过的实验数据中的最高值,但还远小于理论计算值,表明除了本征的声子倒逆散射过程(Umklapp process)外,还有非本征声子散射(比如声子电子散射)起到了制约效应。从热电势及能斯特效应得出,在室温附近存在着两种符号相反的载流子,由此导致的双极输运降低了材料的热电功率因数。我们的实验数据为研究黑磷的基础性质和应用提供了全面且详细的数据。  为了研究拓扑和热电的关系,使用CuBe制活塞圆筒压力容器,我们设计并发展了压力下测量热电输运性质的方法,期待利用该装置研究包括黑磷在内的一些材料在拓扑相变附近的热电性质。我们利用该装置初步研究了黑磷在压力下的热电性质。初步的实验结果表明,当黑磷在加压下由能带半导体转变为拓扑半金属时,尽管电阻变化较大,其热电势并没有看到明显的变化。这点表明影响电阻和热电势的能带可能并不完全一致。进一步压力下的实验还在进行中,希望可以得到更多实验数据,为研究拓扑电子结构在热电材料中的影响提供有价值的实验依据。
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