カドミウムヒ素薄膜の特異な熱電特性を調べる(Investigating the extraordinary thermoelectric properties of cadmium arsenide thin films)

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2024-06-27 カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)

カドミウムヒ素薄膜の特異な熱電特性を調べる(Investigating the extraordinary thermoelectric properties of cadmium arsenide thin films)
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This device tests the properties of the cadmium arsenide thin film — the black strip in the center

UCサンタバーバラの教授ボリン・リャオらの研究チームは、高品質なヒ素化カドミウム薄膜の熱電特性を初めて詳細に特定しました。私たちが生み出すエネルギーの多くは熱として失われており、これを有効利用できればエネルギー効率が大幅に向上します。リャオらは、この熱を回収しエネルギー源として利用することを目指し、低熱伝導率と高い電子移動度を持つヒ素化カドミウムに注目しました。薄膜の厚さを変えることでバンドギャップを生成し、熱勾配に対する電圧応答を大幅に向上させました。この発見は低温環境での応用が期待されますが、根本的には量子閉じ込め効果が熱電特性を強化することを示しました。

<関連情報>

量子閉じ込めCd3As2薄膜におけるトポロジカル表面状態の特異な熱電特性 Extraordinary Thermoelectric Properties of Topological Surface States in Quantum-Confined Cd3As2 Thin Films

Wenkai Ouyang, Alexander C. Lygo, Yubi Chen, Huiyuan Zheng, Dung Vu, Brandi L. Wooten, Xichen Liang, Joseph P. Heremans, Susanne Stemmer, Bolin Liao
Advanced Materials  Published: 29 April 2024
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202311644

Abstract

Topological insulators and semimetals have been shown to possess intriguing thermoelectric properties promising for energy harvesting and cooling applications. However, thermoelectric transport associated with the Fermi arc topological surface states on topological Dirac semimetals remains less explored. This work systematically examines thermoelectric transport in a series of topological Dirac semimetal Cd3As2 thin films grown by molecular beam epitaxy. Surprisingly, significantly enhanced Seebeck effect and anomalous Nernst effect are found at cryogenic temperatures when the Cd3As2 layer is thin. In particular, a peak Seebeck coefficient of nearly 500 µV K−1 and a corresponding thermoelectric power factor over 30 mW K−2 m−1 are observed at 5 K in a 25-nm-thick sample. Combining angle-dependent quantum oscillation analysis, magnetothermoelectric measurement, transport modeling, and first-principles simulation, the contributions from bulk and surface conducting channels are isolated and the unusual thermoelectric properties are attributed to the topological surface states. The analysis showcases the rich thermoelectric transport physics in quantum-confined topological Dirac semimetal thin films and suggests new routes to achieving high thermoelectric performance at cryogenic temperatures.

0700金属一般
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