通訊地址：日本國立材料科學研究所

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-020-00884-2

研究背景

當溫度梯度應用於包含兩種不同導體的閉合電路時，會透過西貝克效應（Seebeck-effect，SE）產生電流。近期，使用西貝克效應的熱電發電引起了相當大的興趣，因為它能夠直接將熱量轉換為電，而無需任何移動部件或化學介質。

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本文利用西貝克效應誘導電荷電流來驅動"橫向"的熱電生成。由於熱轉電電流的正交幾何學，熱電效應在能量收集和熱感測應用中具有很大的潛力。本文發現，在由熱電和磁性材料組成的閉路中，將西貝克效應人工雜化從而產生異常的霍爾效應，使橫向熱電生成具有與異常的Nernst效應類似的對稱性。令人驚訝的是，西貝克效應驅動的橫向熱功率比異常效應驅動熱功率大幾個數量級，本文的實驗使用Co2MnGa/Si 混合材料清楚地證明了這一點。這種非常規方法可能是開發橫向熱電發電應用的突破口之一。

圖文解析

▲圖 1 |STTG（西貝克驅動的橫向熱電發電）的概念示意圖

要點：

● SE （西貝克效應）的結構原理圖：當兩種具有不同西貝克係數的不同熱電材料（粉紅色和灰色）在兩端以電氣方式連線時，在溫度梯度 （∇T） 下在閉合電路中會產生環路電荷電流（I），從而產生旋轉指南針的磁場。（圖1a）

● STTG 系統由兩端的熱電和磁性材料組成，以形成閉合迴路（圖1c）。

▲圖 2 |STTG 的模型計算

▲圖3|STTG 的實驗演示示意圖

要點：

● 用於演示STTG的樣品結構和測量設定的示意圖（圖3a）：n 型、p 型或非摻雜的矽基板薄膜用作熱電（磁性）材料。在測量過程中，磁場H級被放在垂直於樣品平面的方向上。V 表示伏特計。

● 在這裡，n型Si，p型Si，非摻雜Si或Bi2Te3均可用作熱電材料。

▲圖 4 |STTG在零場的實驗演示結果

總結

本文已經證明了由於STTG導致的橫向熱電的大幅增強的情況。相比之下，要最佳化STTG的效率，就必須要考慮熱電和磁性材料的熱導率的影響。本文還推匯出了STTG品質因數的表示式。儘管由於 Si 和未最佳化的 r 的高導熱性，本文的原型器件顯示的功率很小，但 STTG 不僅可以透過最佳化材料的運輸特性和尺寸從而在 ANE 上做出大幅度的增強，還可以在品質因數上做出大幅度的增強。因此，STTG 將為基於大量熱電和磁性材料研究而設計熱電發生器提供極其有用的參考。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00884-2