自旋Seebeck效应研究进展
自旋塞贝克效应
自旋塞贝克效应
自旋塞贝克效应是指当一个自旋粒子通过一个特定的磁场时，会发生自旋的预处理。
这种效应是由瑞典物理学家塞贝克在1952年首次发现的，因此被命名为“自旋塞贝克效应”。
自旋塞贝克效应的原理是在磁场中，自旋粒子的自旋会发生预处理，使得自旋在磁场中的方向发生变化。
这种预处理的方向与磁场的方向有关，因而自旋塞贝克效应可用于磁场的测量。
自旋塞贝克效应在核磁共振、电子顺磁共振和磁共振成像等领域得到广泛应用。
它不仅可以用于测量磁场，还可以用于研究物质的结构和性质，因而具有重要的科学研究价值。
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自旋极化效应对磁性材料的影响研究
自旋极化效应对磁性材料的影响研究自旋极化效应是物理学中的一个重要概念，它揭示了自旋在材料中的行为对于磁性的产生和传播具有重要作用。
近年来，关于自旋极化效应对磁性材料的影响的研究不断加深，本文将对这方面的研究进行探讨。
首先，我们来了解一下自旋极化效应的基本原理。
自旋极化效应是自旋的定向在材料中为形成磁性相互作用而导致的一种现象。
自旋可以看作是电子固有的一个属性，类似于一个旋转的矢量。
在磁性材料中，自旋的定向会产生一个磁矩，从而导致材料表现出磁性特性。
自旋极化效应对磁性材料的研究可以帮助我们理解材料的磁性行为，并为制造新型磁性材料提供指导。
自旋极化效应对磁性材料的影响主要表现在以下几个方面。
首先是磁性的产生和传播。
自旋极化效应是磁性的基础，只有当自旋定向一致时，磁性才能够得到有效的传播。
研究发现，自旋极化效应对磁性材料的短程有序和长程有序都具有重要影响。
这种自旋极化效应的影响是通过自旋间的相互作用来实现的，而不是通过电子之间的相互作用。
因此，自旋极化效应在磁性材料中的短程和长程有序之间起着桥梁作用。
其次，自旋极化效应对磁性材料的磁导率和磁饱和度等宏观磁性参数也具有一定的影响。
根据研究，自旋极化效应可以改变磁性材料的磁光特性，从而影响光的传播和偏振方向。
这在磁光器件的研究和制造中具有重要意义。
此外，自旋极化效应还与材料的电子输运性质密切相关。
研究表明，在一些特殊的磁性材料中，自旋极化效应可以引起电荷的偏转和自旋角动量的转移，进而影响电子的传导。
这为新型自旋电子学器件的设计提供了一种新的途径。
最后，自旋极化效应在磁性材料的热力学性质和相变中也发挥了重要作用。
研究发现，自旋极化效应可以改变材料的磁阻、热容和热导率等热力学参数。
这对于理解磁性材料的热力学行为，以及制造具有特殊磁热效应的磁性材料具有一定的意义。
因此，自旋极化效应对磁性材料具有重要影响，研究这一效应对于深入理解材料的物理特性，设计新型磁性材料以及开发自旋电子学器件都具有重要意义。
塞贝克效应
L/O/G/O赛贝克效应提纲原理定义应用发展4123一、定义•塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。
•另一种定义是：在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象。
xt Text Text Text由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。
电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。
设导体A 和B 的自由电子密度为NA 和NB ，且有NA ＞NB ，电子扩散的结果使导体A 失去电子而带正电，导体B 则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。
这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。
（右图为实验图示）在两种金属A 和B 组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。
塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。
半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。
（见右图）由于两种金属接触时本身会产生接触电势差，若T1比T2温度高，由于温度越高金属电子的能量越高，逸出的越多，所以T1处有电子像T2方向逸出形成如图所示的电流。
T2端不断放热，T1端不断吸热，使电子不断逸出，和前面接触电势差一样产生一个温差电动势，进而在金属中产生如图所示的电流，即热电流。
温差电动势温差电动势也称为赛贝克电动势（Θab 示之），定义温差电动势率αab αab 为单位温差时的温差电动势，亦称赛贝克系数，单位为V/K 。
两个不同半导体也可构成闭合线路，当两个接头处温度不同时，也要产生温差电动势，而且数值比金属导体大得多。
在室温附近，半导体的αab 有几百μV/K ，而金属的αab 只在0.1与10μV/K 之间。
自旋轨道耦合能带劈裂
自旋轨道耦合能带劈裂摘要：1.自旋轨道耦合能带劈裂的概述2.自旋轨道耦合能带劈裂的原理3.自旋轨道耦合能带劈裂在材料科学中的应用4.自旋轨道耦合能带劈裂在量子计算领域的潜力5.我国在自旋轨道耦合能带劈裂研究方面的进展6.自旋轨道耦合能带劈裂的发展趋势和挑战正文：自旋轨道耦合能带劈裂（Spin-Orbit Coupling Band Splitting）是一种物理现象，广泛存在于半导体、金属和拓扑材料中。
近年来，随着材料科学、量子计算等领域的快速发展，自旋轨道耦合能带劈裂的研究引起了广泛关注。
自旋轨道耦合能带劈裂的原理源于电子的自旋与轨道运动之间的相互作用。
在固体中，电子受到原子核和其他电子的引力，产生轨道运动。
同时，电子的自旋与轨道运动之间存在耦合，使得能带结构发生变化，出现能带劈裂现象。
这种劈裂程度与材料的晶格结构、元素组成以及温度等因素密切相关。
在材料科学领域，自旋轨道耦合能带劈裂具有重要的应用价值。
首先，它能影响材料的电子输运性质，如电导、Seebeck 效应等。
研究发现，自旋轨道耦合能带劈裂能够导致材料的电导率降低，提高了材料的磁阻效应。
此外，自旋轨道耦合能带劈裂还可以调控材料的磁性，进而影响磁性能。
近年来，自旋轨道耦合能带劈裂在量子计算领域显示出巨大的潜力。
利用自旋轨道耦合能带劈裂，可以在固体材料中实现对电子自旋的操纵，为构建高性能的量子计算器件提供了新思路。
目前，我国在自旋轨道耦合能带劈裂研究方面取得了世界领先的成果，如在拓扑绝缘体、磁性材料等方面的突破。
然而，自旋轨道耦合能带劈裂的研究仍面临诸多挑战和发展趋势。
首先，对于复杂晶格结构和高熵系统的自旋轨道耦合能带劈裂理论预测和实验验证仍存在较大差距。
其次，自旋轨道耦合能带劈裂在量子计算领域的应用尚处于初级阶段，如何实现高性能、可扩展的量子计算器件仍需深入研究。
总之，自旋轨道耦合能带劈裂作为一种重要的物理现象，在材料科学、量子计算等领域具有广泛的应用前景。
几何结构对Ｆｅ薄膜反常能斯特效应的影响
第３９卷 第１期 ２０２４年３月 西 南 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２０２４ＤＯＩ：１０．２００３６／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１ ８７５５．２０２４．０１．００６收稿日期：２０２３－０５－１０；修回日期：２０２３－０６－１５基金项目：国家自然基金青年项目（１１３０４２５５）作者简介：第一作者，张志忠（１９９６—），男，硕士研究生，Ｅ ｍａｉｌ：ｍ１８５１０３１６７７３＠１６３．ｃｏｍ；通信作者，张小伟（１９８０—），男，副教授，研究方向为热电材料，Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｘｉａｏｗｅｉ＠ｓｗｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ几何结构对Ｆｅ薄膜反常能斯特效应的影响张志忠 张小伟（西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室 四川绵阳 ６２１０１０）摘要：反常能斯特效应（ＡｎｏｍａｌｏｕｓＮｅｒｎｓｔｅｆｆｅｃｔ，ＡＮＥ）是一种利用磁性材料进行热电转换的效应。
利用磁控溅射方法在Ｓｉ基底上沉积生长Ｆｅ薄膜，探究了薄膜的厚度及几何尺寸对反常能斯特效应的影响。
结果表明：Ｆｅ薄膜的厚度越小，ＡＮＥ越明显，当薄膜厚度增加到５０ｎｍ以上时，ＡＮＥ趋于不变，这与Ｆｅ薄膜电阻率随厚度的变化规律一致；在温差一定时，反常能斯特电压和Ｆｅ薄膜的宽长比成正比，即薄膜越宽电压信号越强，但在单位宽度下薄膜产生的反常能斯特电压维持不变，说明薄膜的几何尺寸对ＡＮＥ有较大的影响。
研究结果对反常能斯特效应相关器件设计具有指导意义。
关键词：反常能斯特效应 热电效应 磁控溅射 Ｆｅ薄膜中图分类号：ＴＮ３７７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－８７５５（２０２４）０１－００３８－０６ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＧｅｏｍｅｔｒｉｃａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅＡｎｏｍａｌｏｕｓＮｅｒｎｓｔＥｆｆｅｃｔｏｆＦｅＴｈｉｎＦｉｌｍｓＺＨＡＮＧＺｈｉｚｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏｗｅｉ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｒｉｅｎｄｌｙＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｏｍａｌｏｕｓＮｅｒｎｓｔｅｆｆｅｃｔ（ＡＮＥ）ｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｕｓｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＴｈｅＦｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｅｒｅｄｅｐｏｓｉｔｅｄａｎｄｇｒｅｗｏｎＳｉｓｕｂｓｔｒａｔｅｂｙｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｇｅｏｍｅｔｒｉｃｓｉｚｅｏｎＡＮＥ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｔｈｉｎｎｅｒＦｅｆｉｌｍｈａｓｓｔｒｏｎｇｅｒＡＮＥ．Ｗｈｅｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｆｉｌｍｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｕｐｔｏｍｏｒｅｔｈａｎ５０ｎｍ，ｔｈｅＡＮＥｔｅｎｄｓｔｏｂｅｕｎｃｈａｎｇｅｄ．ＴｈｉｓｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｏｆＦｅｆｉｌｍｖｅｒｓｕｓｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｓｆｉｘｅｄ，ｔｈｅａｎｏｍａｌｏｕｓＮｅｒｎｓｔｖｏｌｔａｇｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｗｉｄｔｈｔｏｌｅｎｇｔｈｏｆＦｅｆｉｌｍｓ，ｔｈａｔｉｓ，ｔｈｅｗｉｄｅｒｆｉｌｍｈａｓａｓｔｒｏｎｇｅｒｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅａｎｏｍａｌｏｕｓＮｅｒｎｓｔｖｏｌｔａｇｅｒｅｍａｉｎｓｕｎｃｈａｎｇｅｄａｔａｕｎｉｔｗｉｄｔｈ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｆｉｌｍｇｅｏｍｅｔｒｙｈａｓａｇｒｅａｔｅｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎＡＮＥ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｍａｙｇｕｉｄｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｎＡＮＥｄｅｖｉｃｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡｎｏｍａｌｏｕｓＮｅｒｎｓｔｅｆｆｅｃｔ；Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ；Ｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ；Ｆｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓ １９世纪２０年代，塞贝克发现了热电效应，它反应了热流和电荷流的耦合，在温度计、发电机和冷却器中得到应用。
温差发电的发展与应用
温差发电的发展与应用摘要：综述了温差发是的基本原理、温差发电技术的研究历程和取得的成绩以及温差发电的展望，着生探讨了目前温差发电技术存在的问题和提高发电效率的各种途径和措施。
关键词：温差发电；温差发电材料；余热利用；前景展望Development and application of thermal energyAbstract: The thermoelectric generator is a basic principle, the temperature difference power generation technology research history and achievements as well as thermal energy outlook, the health of the current thermal energy technology problems and improve power generation efficiency of the various approaches and measures. Keywords: thermal energy; thermal energy materials; waste heat recovery; outlook1 温差发电的基本原理温差电效应是德国科学家塞贝克于1821年首先发现的，人们称之为塞贝克(Seebeck)效应，即两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应为温差发电技术奠定了基础。
如图1所示，A、B两种不同导体构成的回路，如果两个结点所处的温度不同(T1和T2不等)，回路中就会有电动势存在，这便是温差发电技术的理论基础。
当结点间的温度差在一定范围内，存在如下关系：式中：--回路产生的电势；--所用两种导体材料的相对塞贝克系数。
2温差发电的研究进展当前温差发电技术的研究主要集中在三个方面，提高温差发电器件的效率、降低成本和扩大应用范围。
自旋Seebeck效应简介
自旋S e e b e c k 效应简介*孟庆宇 赵宏武†(中国科学院物理研究所 固态量子信息与计算实验室 北京 100190)摘 要 自旋电子学作为一个新兴的学科,是未来电子学发展的重要方向之一.而近年来发现的自旋泽贝克(S e e b e c k )效应则为自旋电子学的研究提供了不少新现象.文章通过对自旋S e e b e c k 效应的一些科研进展的介绍,较详尽地阐明了自旋S e e b e c k 效应的定义和常用的利用逆自旋霍尔(H a l l )效应来进行观测的机制与方法,并对不同种类材料中的自旋S e e b e c k 效应及其可能的成因进行了分析介绍.关键词 自旋电子学,自旋S e e b e c k 效应,逆自旋H a l l 效应,磁振子T h e s pi nS e e b e c k e f f e c t M E N G Q i n g -Y u Z H A O H o n g -W u †(L a b o r a t o r y o f S o l i dS t a t eQ u a n t u mI n f o r m a t i o na n dQ u a n t u mC o m p u t a t i o n ,I n s t i t u t e o f P h ys i c s ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 100190,C h i n a )A b s t r a c t A s a b u r g e o n i n g s u b j e c t ,s p i n t r o n i c s i s v e r y i m p o r t a n t f o r t h e d e v e l o pm e n t o f e l e c t r o n i c s f o r t h e f u t u r e .T h e s p i nS e e b e c ke f f e c t d i s c o v e r e d i n r e c e n t y e a r s h a s g i v e n r i s e t om a n y ne w p h e n o m e n a i n s p i n t r o n i c s .T h r o u g ha n i n t r o d u c t i o n t o s o m e r e c e n t r e s e a r c ho n t h e s pi nS e e b e c ke f f e c t ,w ed i s c u s s i t s d e f i n i t i o n ,a n d t h ec o mm o n l y u s e d m e t h o d s t oo b s e r v e i tw i t ht h e i n v e r s es p i n H a l l e f f e c t .F o l l o w i n gt h i s ,w e d e s c r i b e v a r i o u s t y p e s o fm a t e r i a l s i nw h i c h t h e s p i nS e e b e c ke f f e c t h a s b e e no b s e r v e d ,a n d t h e a r g u m e n t s p u t f o r t h t o e x p l a i n t h e e f f e c t .K e yw o r d s s p i n t r o n i c s ,s p i nS e e b e c ke f f e c t ,i n v e r s e s p i nH a l l e f f e c t ,m a g n o n * 国家自然科学基金(批准号:10834012)资助项目2011-04-11收到†通讯联系人.E m a i l :h w z h a o @i p h y.a c .c n 1 引言自旋电子学作为一门新兴的学科,其研究动力是减少传统电子器件在工作时产生的热量,从而大幅降低电子产品的功耗[1 3].另外,基于电子自旋传输与调控的元件在工作时也不严格依赖于静电势垒的升降,因而在一定程度上可以避免基于电子传输的传统器件会遇到的尺寸效应,以实现更大规模的集成.此外,利用自旋电流在半导体材料中进行自旋传输,还可能降低传统器件带来的信息耗散.不过,虽然自旋电子器件可能会带来这些优点,但目前实用的自旋电子器件主要是基于1988年发现的巨磁阻效应[4]的硬盘磁头和磁随机存取存储器(M R AM ),自旋电子学的相关实验也大都针对材料的电磁学性质展开.而近几年发现的自旋S e e b e c k效应,从热学方面对材料中自旋电流的产生㊁传输与调控拓展了更大的研究空间.2 自旋S e e b e c k 效应的定义S e e b e c k 效应,也就是常说的热电效应,是指当物体中存在温度梯度时,由于温差所产生的电流或电荷堆积[5].其原因通常被认为是电子在不同的温度下具有不同的扩散速度与平均自由程.目前,S e e b e c k 效应和其反效应(P e l t i e r 效应)已经被广泛地应用于热电偶㊁温差发电与半导体制冷(见图1(a )).在金属磁体中,自旋向上与自旋向下的自由电子通常具有明显不同的散射几率和密度,也因此具图1 (a)热电偶示意图.当处于同一温度梯度的两种材料的S e e b e c k系数不同时,将会在其两端产生不同的电势,将两种材料的一端连接在一起后,另一端将产生电势差;(b)自旋S e e b e c k 效应示意图.对于金属磁体而言,自旋向上与自旋向下的电子同样具有不同的S e e b e c k系数,因而和热电偶类似,在温度梯度下可以产生自旋电压有不同的S e e b e c k系数,就好像在一块磁体中并排存在着具有不同S e e b e c k系数的两种导体一样[6].因此与传统S e e b e c k效应相对应,自旋S e e b e c k效应则通常是指由于温度梯度产生自旋电压的现象.这里的自旋电压是指自旋向上与自旋向下的电子的电化学势之差,记作μ↑-μ↓,这里μ↑和μ↓分别表示自旋向上与自旋向下的电子的电化学势.这种效应在宏观上的表现就是,在整个材料中,冷端与热端中的一端自旋向上的电子较多,另一端自旋向下的电子较多,也就是在材料中出现自旋极化,如图1 (b)所示.当然,这只是在自旋S e e b e c k效应发现之前的一种猜想,本文后面将指出近来的许多实验都证实自旋S e e b e c k效应并不能简单地被认为是像传统S e e b e c k效应那样由电子的扩散运动导致的[7 9].由于自旋S e e b e c k效应的结果是材料中出现自旋极化,那么就可以用已知的检测电子自旋的手段来发现它.不过,虽然目前测量电子自旋的方法包括自旋极化电子隧道谱仪和超导量子干涉仪显微镜等,但对于自旋S e e b e c k效应而言,已发表的相关文献基本全部是通过逆自旋H a l l效应来进行的.逆自旋H a l l效应是指,当导体两侧出现不平衡的自旋极化强度时,将产生带有自旋极化矢量σ的自旋电流J S,此时在垂直于自旋极化与自旋电流的方向上将出现一个电动势E I S H E[10 12].其具体关系为E I S H E=D I S H E J S×σ.(1)这也就是自旋H a l l效应[13]的逆过程.其中D I S H E是与材料本身有关的系数,在常见的顺磁性材料中, P t,P d,A g等贵金属的D I S H E值较大[10].3 自旋S e e b e c k效应的发现自旋S e e b e c k效应最初是由K.U c h i d a和S.T a k a h a s h i等人在2008年发现的[6].虽然当时的实验样品结构和制备方法均很简单,但直至现在,人们在研究自旋S e e b e c k效应时依旧常用,即:在导热衬底材料上制作一个厚度为几十纳米的长条形铁磁材料层(K.U c h i d a等人选用的材料为镍铁合金N i81 F e19,其长度在毫米量级,远大于材料中的自旋翻转扩散长度),之后在其上溅射制作一层厚度为几十纳米的长条形金属P t,使其横跨过那层铁磁材料,如图2所示.图2 利用逆自旋H a l l效应检测自旋S e e b e c k效应的示意图.利用外磁场H对自旋极化矢量σ进行控制,自旋电流J S将在P t层内产生相应于(1)式的电动势E I S H E测量机制如下[6]:将样品置于300K的环境温度中,对其施加一个沿x方向的温度梯度∇T,同时外加平行于x方向的磁场H.300K时,N i81F e19的矫顽力H C在15O e左右,并且在|H|>H C时,磁化排列是沿着外磁场方向.在N i81F e19层中,由于温度梯度产生了自旋电压μ↑-μ↓,因而在P t层中会导致自旋电流J S(穿过N i81F e19和P t的界面).在P t层中,|μ↑-μ↓|沿z方向减小.由于自旋极化,自旋电流的σ矢量将沿着磁场方向分布,故|H|> H C时,自旋电流会由于P t层中的逆自旋H a l l效应产生一个沿y方向的电动势.这里需要注意到,μ↑-μ↓在N i81F e19冷热两端的符号是不同的.因此,在P t层中,σ的方向与E I S H E的符号,在冷端与热端也应是相反的.这种电动势在材料两端方向相反的特殊性质是热致自旋电压产生的逆自旋H a l l 效应的特征.因此,测量这一电动势可以灵敏地探知自旋S e e b e c k效应.图3 文献[6]中提供的对N i81F e19中自旋S e e b e c k效应的测量结果(a)样品结构示意图;(b),(c)为在低温与高温端不同温度差值下的E I S H E测量结果;(d)没有P t层时样品两端的电势差;(e),(f)为低温与高温端在不同外磁场和不同温差下的测量结果;(g)没有P t层时样品在不同外磁场和不同温差下的测量结果图3(b),(c)示出的实验结果表明,E I S H E与铁磁材料所处冷热端的温差值ΔT成正比.另外,在铁磁材料的不同位置制作P t层,也看到了E I S H E随空间位置x成线性分布.由于自旋极化矢量σ和材料的自身磁化强度一样,随外磁场H的强度会依照铁磁体的磁滞回线进行变化,因而根据(1)式可知,E I S H E 一样会随外磁场H有类似于磁滞回线的变化,这同样在实验中得到了证实(见图3(e),(f)).值得注意的是,在以上实验过程中,磁场与温度梯度的方向始终是平行的,不会因磁场出现垂直于温度梯度方向的分量而产生能斯特(N e r n s t)效应,进而影响实验结果.如果用单独的N i81F e19或P t层来进行实验,在材料两侧的电击则始终测不到电动势(见图3 (d),(g)),进一步排除了N e r n s t效应对实验的影响.在最后的实验中,也进行了改变外磁场H方向与温度梯度方向的夹角θ(不改变H大小)的实验,依照(1)式,σ的方向亦会随θ变化,因而在不改变条形P t层方向的情况下,测得的电压值将是E I S H E 平行于y方向的分量,故此电压值将随θ呈余弦曲线变化.这一步要注意的是,磁场出现垂直于温度梯度方向的分量后会因N e r n s t效应而产生沿z方向的电动势,因而可能对J S造成一定影响,虽然实验中没有发现.K.U c h i d a等人的实验证实了自旋S e e b e c k效应确实存在,但是这一发现带来的最大问题就是,常温下N i81F e19中电子的自旋翻转扩散长度只有几纳米[6,14],仅仅通过电子扩散的运动,如何能在几毫米的长度范围维持自旋电压呢?在这一问题的影响下,展开了很多关于自旋S e e b e c k效应的研究工作.4 半导体中的自旋S e e b e c k效应2010年,C.M.J a w o r s k i和J.Y a n g等人在铁磁半导体G a M n A s中观测了不同温度下的自旋S e e b e c k效应[7].采用与图2类似的结构,利用在铁磁体表面不同位置制作多个条形P t层的方法(图4(a)),在G a M n A s的软磁轴[110]∥x的方向上测得的E I S H E分布与N i81F e19的结果不同.E I S H E不再呈线性分布,而是呈s i n h(x)形式分布,并且冷热两端温差相同时整块G a M n A s的平均温度(T a v g)越低,在相同位置所测量到的E I S H E值越大(见图4(c)).这里需要提到的是,图4(c)中的S x y是一个与E I S H E值成正比的量.另外,在没有制作P t层而仅用两个电极直接接触G a M n A s顶部两侧时,同样测得了类似于E I S H E分布的电动势V y,这可能预示着G a M n A s 可以成为它自身的自旋电流转换层.尤其令人感到意外的是,在将G a M n A s层截断,即两条G a M n A s 层之间存在0.35mm间隔的情况下,测得的E I S H E分布竟然会和一条完整的G a M n A s层类似,而不是在它们各自两端出现相反方向的E I S H E分布.这一现象进一步证明了自旋S e e b e c k现象的成因与最初对此现象的预想是不同的.5 自旋S e e b e c k绝缘体几乎与C.M.J a w o r s k i等人同时,K.U c h i d a和J.X i a o等人在铁磁绝缘体L a Y2F e5O12中同样发现了自旋S e e b e c k效应[8].这一实验和上面提到的N i81F e19实验一样,是在常温下进行的,许多实验结果也是类似的.针对绝缘体中的自旋S e e b e c k效应图4 文献[7]中提供的一些铁磁半导体G a M n A s中的自旋S e e b e c k效应测量结果(a)样品结构示意图;(b)外磁场B平行于软磁轴方向[110]时的磁滞回线以及此时的逆自旋H a l l效应测量结果(图中标明的ΔV y,即材料上某点测得的E I S H E随外磁场B在x正负方向上大小变化达到饱和时的差值);(c)系数S x y与空间和温度的依赖关系图(这里定义S x y≡E y/▽x T=LΔV y/ 2wΔT x,它反映了材料上某点的逆自旋H a l l效应强度E I S H E与温度梯度的比例关系.其中E y=V y/w=E I S H E/w,L与w分别对应C a M n A s层和P t层在x方向的长度,而ΔT x为样品在x 方向上两端的温差)无法用传导电子的运动来进行解释这一困难, K.U c h i d a等人认为,材料中自旋波(磁振子)的作用是激发自旋S e e b e c k效应的重要因素.在文献[8]的补充材料中,对这种磁振子在材料中与材料界面传播的理论模型进行了介绍,从P t与铁磁体的界面磁化强度的热涨落出发,推导了自旋电流J S与铁磁体磁化强度的关系,结合铁磁体内的磁振子弛豫长度,得出E I S H E随空间位置应该成s i n h(x)形式分布,并指出实验中观察到的线性分布的E I S H E只是小范围内观测得到的特例.最后利用线性响应的分析方法推导了E I S H E随空间分布的数量级,并且这一推导的结果较好地与实验结果符合.不过,在文献[9]中,作者同样考察了L a Y2F e5O12的自旋S e e b e c k效应,但是通过在不同环境温度下进行观测,发现E I S H E在温度降至50K时会有明显增强.但作者认为,单纯的磁振子作用只会使自旋S e e b e c k效应随温度上升缓慢增强.为了解释低温下E I S H E显著增强这一现象,作者考虑了声子拖拽机制,也就是G u r e v i c h于1946年提出的:一束由温度梯度驱使的声子流会产生热电动势,对电子进行拖拽和对流[15].在铁磁体层中,声子会在温度梯度下通过磁振子-声子交互作用拖拽磁振子,由于非平衡状态下的声子影响了磁振子的运动,这一过程中会引起自旋电流注入P t层中,进而产生E I S H E.相应地,这一自旋电流会与声子的寿命成正比,因而在低温下自旋S e e b e c k效应会得到明显增强.这一理论较好地拟合了实验结果,同时作者还对文献[7]中将铁磁材料截断之后依然可以观测到随空间连续分布的E I S H E这一现象提出了自己的看法:虽然铁磁材料被截断了,但是生长铁磁材料的衬底依然是完整的,所以声子可以通过衬底传播并进行磁振子拖拽,因而铁磁材料层与P t层的自旋注入依然是连续分布的.这一理论不仅为探寻自旋S e e-b e c k效应的成因提供了出路,而且为自旋电子学中对自旋电流进行调控提供了一种方法.6 展望在自旋S e e b e c k效应被观测到的这两年里,人们已经通过逆自旋H a l l效应发现了自旋S e e b e c k 效应在不同材料与环境中的很多有趣的性质,并且也已经认识到自旋S e e b e c k效应的成因并非最初设想的那样简单.这一效应中磁振子㊁声子等的作用也陆续被提出.但是由于观测手段的单一,因而各种关于自旋S e e b e c k效应成因的理论都还缺乏足够的证据.总之,随着对自旋S e e b e c k效应成因的探寻,不少自旋电子学的实验与理论工作已经展开.相应地,与自旋电流的产生与调控有关的技术手段与理论基础也会逐步完善,这势必对自旋电子器件的研制产生积极的影响.参考文献[1] A w s c h a l o m DD,F l a t t eM.N a t u r eP h y s i c s,2007,3:153[2] D a t t aS,D a sB.A p p l.P h y s.L e t t.,1990,56:665[3] W o l f SA e t a l.S c i e n c e,2001,294:1488[4] B a i b i c h M N e t a l.P h y.R e v.L e t t.,1988,61:2472[5] 赵凯华,陈熙谋.电磁学.北京:高等教育出版社,2003.4[6] U c h i d aK 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特殊多量子点分子中的电导率及赛贝克效应
特殊多量子点分子中的电导率及赛贝克效应王宇鹏【摘要】研究与两个普通金属电极相连并同时与三个量子点分子耦合的单个量子点中电导率性质和热电效应.结果发现当三个量子点分子的能级都相同时,单个量子点中电导率几乎不受二者之间耦合强度的影响,但赛贝克效应的品质因数(Figure of merit)却随着耦合强度的增大明显增大.如果量子点分子中的能级不同,单个量子点的电导率尖峰会因为量子干涉效应而发生分裂,并导致赛贝克效应的加强,其品质因数的值可以达到20左右,远远超过体材料的最佳值.%Properties of the conductance and thermoelectric effect in a quantum dot connected to the left and right normal metal leads and coupled to three quantum dots molecular is studied .It is found that when the energy levels of the three side coupled quantum dots are the same , the conductance through the single quantum dot is al-most unchanged by the coupling between the dots , whereas the figure of merit is enhanced by increasing dot -dot coupling strength .When the energy levels are different from each other in the quantum dot molecular , the peak in the conductance is split and the figure of merit is obviously enhanced due to the quantum interference effect . The value of the figure of merit can reach as high as 20, which is much larger than that in the bulk one .【期刊名称】《渤海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)001【总页数】5页(P47-51)【关键词】量子点;热电效应;品质因数【作者】王宇鹏【作者单位】渤海大学学报编辑部, 辽宁锦州 121013【正文语种】中文【中图分类】O4690 引言在导体或半导体材料中，热能和电能可以通过热电效应实现相互转换，其中最典型的是赛贝克效应，即器件两端的温度差在开路条件下会产生电压，而在闭合回路中会产生电流.热电效应是一个有趣而古老的现象，在温度测量等方面得到了广泛的应用.人们可以通过热电器件将自然界中普遍存在的温度差转变成电能，而且这种器件没有转动的部件，因此它运行起来非常安全可靠，是一种理想的清洁无污染新能源器件〔1，2〕.但受制于维兹曼-弗兰兹原理(Wiedemann-Fanz law)的限制，普通体材料中的热电效率，即品质因数(Figure of merit)却始终在1左右徘徊，限制了热电器件的工业化生产.描述热电转换效率的品质因数ZT的定义为:ZT=GS2T/κ,其中G是电子的电导率；S是热电势(thermopower)或称塞贝克(Seebeck)系数；T是系统的平衡温度；κ=κe+κp是系统的热导率，其中κe和κp分别来自于电子和声子的贡献〔1-4〕.在体材料中，维兹曼-弗兰兹原理要求电导率与热导率的比值为常数，因此品质因数也几乎是接近1的常数.近年来，人们发现低维纳米材料中的电子结构有利于提高热电效率，比如量子限制效应导致的δ状的电子局域态密度、表面散射效应造成的声子电导的减弱以及大小可调的电子间的库伦相互作用等等因素都会导致维兹曼-弗兰兹原理不再成立，即电子的电导率和热导率不再成正比，使得品质因数和热电势的值被明显加强〔1-4〕.以往的工作表明，降低热电材料的维度也可以增大品质因数的值，因此准零维的量子点(quantum dot)体系，即维度最低的纳米材料成为人们的研究热点〔1-5〕.一些实验和理论工作表明，量子点系统中的品质因数可以达到2.5以上甚至更高，为热电器件的广泛应用开辟了新的方向.一般来说，如果品质因数超过3〔3-5〕，热电器件就值得进行大规模的工业化生产，有望在解决能源问题的领域做出贡献.如前所述，如果热电器件中的局域态密度有δ状的分布，热电效应会明显增强，因此多量子点系统近年来得到了广泛的研究.这类系统中的量子干涉效应会产生Fano共振，即电子的局域态密度或者电导率会在费米面附近出现剧烈变化，结果导致极大的热电势或者优质因数.本文将研究如图1所示的多量子点体系中的电导率及热电效应的变化.量子点0通过隧道结与左右两个普通正常金属电极相互耦合，耦合强度为ΓL/P，其中的L/P代表左/右引线或电极.此处不考虑任何磁场或磁性物质的影响，因此电子是自旋简并的.实验中，各个量子点的能级可以分别用栅压Vg来进行调节.与电极耦合的量子点0与量子点分子1通过隧道结相互耦合.图1 量子点0与左右两个处于不同温度的普通金属电极相连接.量子点1与量子点2和3相互耦合，形成量子点分子.量子点1与量子点0通过隧道结相互耦合.量子点之间的耦合强度如图所示.1 理论模型和计算方法描写系统的哈密顿量可以写成以下形式〔3-5〕：(1)其中的第一项表示左/右两个引线，是第α个引线中能量为εkασ、自旋为σ(σ=↑,↓以及的电子产生(湮灭)算符.第二项表示量子点：是第i个量子点中电子的产生(湮灭)算符.εi是电子在量子点中的能级.方程(1)中的第三项表示量子点分子(由第1、2、3个量子点构成)之间的相互耦合，第四项是量子点0与量子点分子之间的耦合.最后一项表示量子点0和引线的相互隧穿.其中隧穿矩阵元tα表示第α个引线与量子点间的耦合强度.为了计算通过量子点0的电导率及热电相关的物理量，需要首先计算多量子点系统的格林函数，通过运动方程方法，经过一些简单的运算，可以得到〔5〕(2)其中Γα=2π|tα|2ρα(ε)是线宽函数，表示量子点0与引线间的耦合强度，ρα(ε)是电极中的电子局域态密度.量子点分子对格林函数的影响体现在自能∑QDM(ε)，其具体表达式为〔5〕(3)ε2(3)=ε1+(-)Δ(4)一旦得到了格林函数，就可以计算电子的透射系数以及动力学系数〔3-5〕(5)f(ε,μ)是费米分布函数，μ是电极中的化学势.体系中的电导率为Gσ(ε)=e2L0σ(ε)，热电势Sσ=-[L1σ(ε)/L0σ(ε)]/(eT).3 结果与讨论在接下来的数值计算中，我们假设左右两个引线与量子点的耦合强度是对称的，即取ΓL=ΓR=1为能量单位；令量子点分子中的能级为ε1=0.图2 电导率(a)与品质因数(b)随量子点0的能级变化情况.其它参数为μ=Δ=0;kBT=0.01Γ;v=0.5Γ.如图2(a)所示，当t=0，即量子点0不与量子点分子相互作用时，通过系统的电导在量子点能级与电极的费米能级相同时(ε0=μ=0)出现尖峰.在低温情况下，电导率峰值的宽度决定于线宽函数的大小.在这种情况下，多量子点系统就蜕化成单量子点结构了.随着量子点之间的耦合强度t的增加，电导率没有明显变化，如图2(a)所示，其中三条线重合在一起.当t=0时，图2(b)中的优质因数ZT在ε0=μ=0时为零，而在这个零点的两侧出现两个尖峰.其原因如下：热电效应是由两个电极中的温度差引起的.在本文中，我们依照惯例取温度梯度由左向右为正，即左侧电极的温度高于右侧电极的温度.也就是说在左侧(高温)电极中，费米面以上的电子密度高于右侧电极中费米面以上电子的密度，而左侧电极中费米面以下空穴的密度也高于右侧电极的.在温度梯度的驱动下，费米面以上的主要载流子为电子，费米面以下的主要载流子为空穴.当ε0<0时，空穴从浓度高的右侧电极向左侧电极运动，在开路的条件下堆积在左侧电极，从而产生电势差.由于费米面附件的载流子浓度最高，因此热电转换效率也大，品质因数出现峰值.反之，当量子点0的能级高于费米能级时，电子从左侧电极向右侧电极运动，同样在开路条件下堆积在右侧电极而使得左右两侧电极形成电势差，并造成品质因数的增大.当量子点能级远离费米能级时，参与输运的载流子数目变少，电势差及品质因数同样变小.随着耦合强度t 的增大，品质因数的值明显增大.其原因是此时电子或空穴的隧穿轨道增加，它们之间相互干涉的可能性响应增加.图3 电导率(a)与品质因数(b)随量子点0的能级变化情况.其它参数为μ=0;t=0.5Γ;kBT=0.01Γ;v=0.5Γ.为了近一步增大品质因数ZT的值，在图3中将量子点0与量子点分子的耦合强度固定为t<0.5Γ，考察不同的能级不对称值Δ对电导率和品质因数的影响.图3(a)表面随着Δ的增大，位于费米能级处的电导率尖峰变低并分裂为两个较宽的峰.这是由于费米能级处电导率的能级简并随着Δ的增加而被打破，致使从不同的通道运动的电子相遇时发生量子干涉现象.电导率的峰值处表明电子形成相长干涉，而电导率的谷值处不同通道的电子发生了相消干涉.这种干涉现象对热电品质因数的影响更为明显，如图3(b)所示.在费米能级处，ZT的值始终为零，无论电导率的值是最大还是为零.这说明热电效应的产生对导体的导电性不很敏感，起码在纳米系统里是这样的.在费米面的两侧，ZT的值随Δ的增大而增大，甚至可以达到20左右的大小.上面的结果说明可以通过特殊的器件设计使得电导率和热电系数发生巨大变化，从而得到高效的热电器件.4 结论用非平衡格林函数方法研究了特殊多量子点结构中的电导率性质和热电转换效率.结果表明，当量子点分子中的能级不相同时，系统中的电导率尖峰会降低并发生分裂.此时从不同通道运动而相遇的载流子会发生量子相长或相消干涉效应.当载流子发生相消干涉时，电导率处于谷值而热电品质因数达到峰值.参考文献:【相关文献】〔1〕GIAZOTTO F,HEIKKILä T T,LUUKANENA,et al.Opportunities for mesosc opics in thermometry and refrigeration:Physics and applications〔J〕.Review of Modern Physics.2006 (78):217-274.〔2〕DUBI Y,VENTRA M D.Heat flow and thermoelectricity in atomic and molecular junctions〔J〕.Review of Modern Physics.2011 (83):131-155.〔3〕DUBI Y,VENTRA M D.Thermospin effects in a quantum dot connected to ferromagnetic leads〔J〕.Physical Review B,2009 (79):081302- 081305.〔4〕KRAWIEC M,WYSOKIńSKI K I .Thermoelectric effects in strongly interacting quantum dot coupled to ferromagnetic leads〔J〕.Physical Review B,2006 (73):075307-075307. 〔5〕RAMOS-ANDRADE J P,PEA F J,GONZALEZ A,et al,Spin-Seebeck effect and spin polarization in a multiple quantum dot molecule〔J〕.Physical ReviewB,2017,96(16):165413.。
铋 热电材料-概述说明以及解释
铋热电材料-概述说明以及解释1.引言1.1 概述铋是一种重要的金属元素，具有许多独特的性质和广泛的应用领域。
作为一种化学元素，铋是一种质地较软的蓝白色金属，具有较低的熔点和很高的电导率。
除此之外，铋还表现出一种非常有趣的性质，即热电效应。
热电效应是指在温度差异存在时，材料内部会产生电压差，从而产生电流的现象。
铋热电材料正是利用了这种热电效应，具有将热能转化为电能的能力。
这种特性使得铋热电材料在能源转换和热管理领域具有重要的应用前景。
铋热电材料的研究进展正在取得令人瞩目的成果。
科学家们通过探索材料的结构、合成方法和改性技术，不断提高铋热电材料的热电性能和稳定性。
同时，也有越来越多的研究关注铋热电材料在能源转换、热电制冷和生物医学等领域的潜在应用。
然而，铋热电材料的发展还面临一些挑战和限制。
例如，铋热电材料的热电性能仍然有待进一步提高，特别是在高温和低温环境下的表现。
此外，材料的稳定性和耐久性也需要得到更好的改善。
为了解决这些问题，需要开展更深入的研究和开发工作。
总之，铋热电材料作为一种具有独特性质和广泛应用潜力的材料，在能源转换和热管理领域具有重要的意义。
随着科学技术的不断进步，铋热电材料的发展前景令人期待。
然而，我们还需要更多的努力和实验研究，以充分挖掘和应用铋热电材料的潜力，为人类社会的可持续发展做出贡献。
1.2文章结构1.2 文章结构本文主要包括以下几个部分：第一部分是引言，主要概述了本文的主题和目的。
首先介绍了铋作为一种热电材料的重要性和应用前景，然后简要阐述了本文的结构和主要内容。
第二部分是正文，主要分为三个小节。
首先，介绍了铋的性质和应用。
具体包括铋的物理性质、化学性质以及在能源领域、电子领域等方面的应用。
其次，讨论了热电效应的基本原理和应用。
重点解释了热电效应的概念、原理以及在能量转换和节能方面的应用。
最后，综述了铋热电材料的研究进展。
包括了铋热电材料的制备方法、性能优化以及在热电发电、热能利用等领域的应用案例。
SiN-SiC纳米薄膜自旋相关的塞贝克效应研究
２０１８ 年 ８ 月
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ ＣＲＹＳＴＡＬＳ
Ｖｏｌ. ４７ Ｎｏ. ８ Ａｕｇｕｓｔꎬ２０１８
ＳｉＮ￣ＳｉＣ 纳米薄膜自旋相关的塞贝克效应研究
李 强ꎬ杨贝贝ꎬ左安友ꎬ杨永明
(１. 湖北民族学院新材料与机电工程学院ꎬ恩施 ４４５０００ꎻ２. 湖北民族学院ꎬ新材料成型及装备技术产学研中心ꎬ恩施 ４４５０００)
摘要:热自旋电子学结合了自旋电子学和热电子学各自优势ꎬ对人类可持续发展具有十分重要的作用ꎮ 本文提出
第 ４７ 卷
纳米带异质结的热自旋输运ꎬ发现这些材料在热自旋电子学方面具有潜在的应用[９￣１１] ꎮ Ｆｕ 等计算了锯齿型 硅烯纳米带( ＳｉＮＲ) 、锯齿状( ＳＴ) 硅烯纳米带、锯齿型硅烯纳米带异质结以及黑磷纳米带的热自旋相关输运ꎬ 发现上述体系均 可 用 来 设 计 高 效 率 的 多 功 能 热 自 旋 电 子 学 器 件[１２￣１６] ꎮ Ｓｕ 等 首 先 提 出ꎬ 单 分 子 磁 体 Ｍｎ ( ｄｍｉｔ)２ 也可作为一种制备热自旋电子学器件的理想材料[１７] ꎮ Ｗｕ 等通过研究氮氧自由基分子的热自旋输 运性质得知ꎬ氮氧自由基分子也可作为热自旋电子学应用方面的一种潜在材料[１８] ꎮ 然而ꎬ上述研究多关注 一维或零维材料ꎬ还未涉及二维材料的有关研究ꎮ 另一方面ꎬＳｉＮ￣ＳｉＣ 纳米薄膜作为一种具有双极化磁性半 导体特征的纳米功能陶瓷材料ꎬ在自旋电子学领域已经引起了广泛关注[１９￣２０] ꎮ 然而ꎬＳｉＮ￣ＳｉＣ 纳米薄膜在热 自旋电子学应用上的研究鲜有报道ꎮ 在本文中ꎬ采用第一性原理结合非平衡态格林函数的方法ꎬ研究了 ＳｉＮ￣ ＳｉＣ 纳米薄膜的热自旋相关输运性质ꎮ 结果表明ꎬ在源极和漏极之间施加温度场ꎬ可以引起自旋极化方向不 同的电流ꎻ此外ꎬ在热电流中还发现了负微分电阻( ＮＤＲ) 效应的存在ꎬ表明 ＳｉＮ￣ＳｉＣ 纳米薄膜可以做成一种 高效率的热自旋电子学器件ꎮ
热电材料性能提升研究与应用
热电材料性能提升研究与应用热电材料是一类具有特殊性能的材料，能够将热能转化为电能，或者反过来将电能转化为热能。
这种材料在能源转换和热管理领域具有广泛的应用前景。
然而，热电材料的性能目前还远远不能满足实际应用的需求，因此，研究人员一直在致力于提升热电材料的性能。
热电材料的性能主要由其热导率、电导率和Seebeck系数决定。
热导率越低，电导率越高，Seebeck系数越大，热电材料的性能就越好。
因此，提升热电材料的性能主要从这三个方面入手。
首先，降低热导率是提升热电材料性能的关键。
热导率高意味着热能在材料中传导迅速，导致热电转换效率低下。
研究人员通过控制晶体结构、合理掺杂和界面工程等手段，成功降低了热导率。
例如，通过在热电材料中引入微观尺度的结构不均匀性，可以有效散射热子，降低热导率。
此外，掺杂是另一种常用的方法，通过引入杂质原子改变材料的电子结构，从而降低热导率。
界面工程也是一种有效的手段，通过在材料界面形成能量障碍，阻碍热子的传导，从而降低热导率。
其次，提高电导率也是提升热电材料性能的重要途径。
电导率决定了热电材料将热能转化为电能的效率。
研究人员通过调控材料的电子结构和载流子浓度，成功提高了电导率。
例如，通过控制材料的晶体结构和组分，可以调控材料的能带结构，从而提高电导率。
此外，控制载流子浓度也是一种常用的方法，通过掺杂或者调控材料的缺陷结构，可以改变载流子的浓度，从而提高电导率。
最后，提升Seebeck系数也是提升热电材料性能的重要手段。
Seebeck系数决定了热电材料将温差转化为电压的效率。
研究人员通过调控材料的能带结构和载流子性质，成功提高了Seebeck系数。
例如，通过调控材料的电子能带结构，可以增强能带边界的散射，从而提高Seebeck系数。
此外，通过调控载流子的轨道杂化和自旋极化，也可以有效提高Seebeck系数。
热电材料性能的提升不仅仅是理论研究，也包括实际应用。
热电材料的应用领域广泛，包括能源转换、热管理和热散热等方面。
Seebeck效应
Seebeck效应（什么是Seebeck效应？半导体和金属的Seebeck效应有何不同？）作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)对于一个金属、或者一个半导体，当一端热、一端冷时（即有温度差ΔT），就会在两端出现电位差（温差电动势）ΔV，并且ΔV与ΔT成正比（比例系数α≡dV/dT），这就是Seebeck效应；而比例系数α称为Seebeck系数（或温差电动势率）。
α可正可负（冷端电位为负时，α即为负），决定于产生Seebeck效应的作用机理。
用于检测温度的热电偶和用于产生电压的温差发电器就都是基于Seebeck效应来工作的器件。
（1）半导体的Seebeck效应：半导体的Seebeck效应较显著。
产生这种效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。
例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。
自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。
可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi能级也是倾斜的；两端Fermi能级的差就等于温差电动势。
实际上，影响Seebeck效应的因素还有两个：第一个因素是载流子的能量和速度。
因为热端和冷端的载流子能量不同，这实际上就反映了半导体Fermi能级在两端存在差异，因此这种作用也会对温差电动势造成影响——增强Seebeck效应。
第二个因素是声子。
因为热端的声子数多于冷端，则声子也将要从高温端向低温端扩散，并在扩散过程中可与载流子碰撞、把能量传递给载流子，从而加速了载流子的运动——声子牵引，这种作用会增加载流子在冷端的积累、增强Seebeck效应。
Seebeck效应的教学体会
Seebeck效应的教学体会
杜永
【期刊名称】《教育教学论坛》
【年(卷),期】2017(000)014
【摘要】Seebeck效应是物理学中的一个基本概念,学生却较难完全理解和掌握.结合本人的教学经验和亲身体验,本人总结出了一种有效的教学方法为学生讲解Seebeck效应这一知识点,教学效果显著提高,学生反馈效果良好.
【总页数】2页(P235-236)
【作者】杜永
【作者单位】上海应用技术大学材料科学与工程学院,上海 201418
【正文语种】中文
【中图分类】G642
【相关文献】
1.碳纤维水泥基复合材料Seebeck效应研究现状∗ [J], 魏剑;赵莉莉;张倩;聂证博
2.自旋Seebeck效应实验研究进展 [J], 黄琳;朴红光;黄秀峰;潘礼庆
3.高效车削过程中的Seebeck效应与预防措施探讨 [J], 王玉山;程程
4.自旋Seebeck效应研究进展 [J], 郑建森;郑金成;;
5.基于Seebeck效应的配电变压器绕组材质无损鉴别装置及测试分析 [J], DU Lin;WANG Disheng;CHEN Weigen;WANG Youyuan;YAO Chenguo
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自旋电子学技术的发展趋势和应用
自旋电子学技术的发展趋势和应用自旋电子学技术是一种新兴的领域，它的发展趋势和应用前景值得关注。
在这篇文章中，我们将探讨自旋电子学技术的发展趋势和应用，以及它对我们的生活和社会的影响。
一、自旋电子学技术的发展趋势在过去的几十年间，自旋电子学技术已经取得了长足的进展。
目前，自旋电子学技术已经广泛应用于磁存储、磁传感、磁随机存储、磁存储器等领域。
未来，随着微电子和纳米技术的发展，自旋电子学技术将迎来更广阔的应用前景。
一方面，自旋电子学技术将继续向微纳米尺度下发展。
随着芯片尺寸不断缩小，自旋电子学技术将成为解决芯片小尺寸下存储和传输问题的重要手段。
另一方面，自旋电子学技术也将不断探索新的材料和结构，以实现更高的性能和更广泛的应用。
二、自旋电子学技术的应用1. 磁存储自旋电子学技术在磁存储领域的应用已经得到了广泛的应用。
通过将信息编码成磁场的极性和方向，可以实现高速和大容量的磁存储。
而自旋电子学技术则可以利用电子的自旋特性来实现更高的数据密度和更快的速度。
未来，自旋电子学技术也将成为实现更高效的磁存储技术的重要手段。
2. 磁传感自旋电子学技术在磁传感领域也有着广泛的应用。
通过利用电子的自旋特性，可以实现高灵敏度和高分辨率的磁传感器。
在一些特殊的环境下，如高温、高压等，传统的磁传感器难以工作，而自旋电子学技术则能够适应这些环境，并实现高精度的磁场探测。
3. 磁随机存储磁随机存储是一种新型的存储技术，它通过利用自旋电子学技术来实现高速和高稳定性的数据存储。
与传统的存储技术相比，磁随机存储可以实现更高的数据密度、更快的读写速度以及更低的功耗。
未来，随着芯片尺寸不断缩小，磁随机存储技术将成为实现更高效的存储方式的重要手段。
4. 磁存储器自旋电子学技术在磁存储器领域也有着广泛的应用。
通过利用电子的自旋特性，可以制备出高性能的磁存储器。
自旋电子学技术在存储器领域的应用已经被广泛研究和应用，未来也将继续得到发展和应用。
新型一维碳基纳米材料的自旋热电效应
作者： 刘玉申;冯金福;王雪峰
作者机构： 常熟理工学院物理与电子工程学院;苏州大学物理与光电子能源学部
出版物刊名： 常熟理工学院学报
页码： 53-58页
年卷期： 2015年 第2期
主题词： 石墨烯纳米条带;碳链;纳米片;自旋Seebeck系数;热电品质因子
摘要：基于第一性原理的方法,从原子层面上研究了锯齿型石墨烯纳米条带与碳链以及石墨烯纳米片组成的一维碳基纳米材料的自旋热电性能.研究发现在费米面处自旋向下的传输函数压抑至零,而自旋向上的传输函数大约为0.25,具有理想的半金属性质.另外声子部分热导明显小于对应的电子部分热导.同时低温区域(80 K附近)自旋Seebeck系数明显得到加强,导致了电荷和自旋热电品质因子接近40.并且在室温区域,自旋热电品质因子明显大于对应的电荷热电品质因子.。
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Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 175-190Published Online September 2014 in Hans. /journal/ms/10.12677/ms.2014.45026Recent Progress in Spin Seebeck EffectJiansen Zheng, Jincheng Zheng*Department of Physics, School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering, Xiamen University, Xiamen Email: *jczheng@Received: Jul. 14th, 2014; revised: Aug. 12th, 2014; accepted: Aug. 20th, 2014Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractSpin Seebeck effect, as an emerging field of spintronics, refers to the phenomenon that under spe-cific conditions, on the contact interface between a non-magnetic metal material with strong spin- orbit coupling and a ferromagnetic insulator or other candidates, there will occur a temperature gradient induced spin injection crossing the boundary. The effect implements the conversion from heat to the spin current, and also this spin current can be transformed into the charge voltage with the help of the inverse spin Hall effect in a non-magnetic metal. We will firstly survey the recent experimental progress in this area, and then review the latest theoretical progress in spin Seebeck effect mechanism. In the final, we will discuss the possibility of its device applications, and give a perspective for the relevant theoretical and experimental research, pointing out that the applica-tion in future thermoelectric conversion remains challenging and some viable solutions are pro-posed.KeywordsSpin Seebeck Effect, Ferromagnetic Insulator, Magnon, Spin Pumping, Inverse Spin Hall Effect自旋Seebeck效应研究进展郑建森，郑金成*厦门大学物理与机电工程学院物理系，厦门Email: *jczheng@收稿日期：2014年7月14日；修回日期：2014年8月12日；录用日期：2014年8月20日*通讯作者。
摘 要 自旋Seebeck 效应是自旋电子学的一个新兴领域，它指的是在特定条件下，在强自旋轨道耦合的非磁金属材料与铁磁绝缘体等材料接触时，界面出现温度梯度诱导产生的自旋流注入现象。
它实现了从热流到自旋流的转换，同时这种自旋流注入可以通过非磁金属中的逆自旋霍尔效应转化为电荷电压。
我们将介绍这个领域最近的实验进展，综述了自旋Seebeck 效应的最新机制理论，最后作了器件应用方面的介绍，并对相关理论和实验研究进行了展望，指出要应用于未来热电转换仍是一个挑战性的任务并提出一些解决思路。
关键词自旋Seebeck 效应，铁磁绝缘体，磁振子，自旋泵浦，逆自旋霍尔效应1. 自旋电子学近年的新发展——自旋Seebeck 效应 自旋流的产生和检测是自旋电子学中的两个热点课题。
近年来，自旋Seebeck 效应(Spin Seebeck Ef- fect ，简称SSE)的发现源自人们对热流与自旋流相互作用现象的广泛实验研究，是自旋电子学研究的重大进展，它向人们展现了一种全新的自旋角动量的转移方式，而不是仅仅通过自旋极化的电流来转移。
在2008年，K. Uchida 等人首次观察到金属磁体内由温度梯度引起的自旋流或者说自旋压(spin voltage)的获得[1]。
这就是自旋Seebeck 效应。
在他们的工作中，首次利用了逆自旋霍尔效应(Inverse Spin Hall Effect ，简称ISHE)[2] 测量了这一热致自旋压，并且观察到它可以在距样品末端远大于自旋翻转(spin-flip)扩散长度的距离存在，达到厘米量级。
这个传播长度是令人惊奇的，因为作为自旋载流子的传导电子,其自旋翻转(spin-flip)的扩散长度(即电子自旋要实现朝向反转所需要的电子前进距离)，只有纳米量级。
后来类似的自旋Seebeck 效应在从铁磁金属或合金2Co MnSi ，到稀磁半导体()Ga,Mn As ，甚至铁磁绝缘体2512LaY Fe O (简称YIG 材料)与()24Mn,Zn Fe O 中观测到[2]-[5]，表明自旋Seebeck 效应是含铁磁材料的体系普遍存在的现象。
自旋Seebeck 效应作为研究热点，很大程度上因其展示了产生与检测自旋流的全新机制，为自旋电子学的进一步发展创造了许多可能性。
简单来说，自旋流就是材料中电子自旋角动量在空间上的转移，这种转移通常可发生在铁磁/非磁金属界面，或者自旋轨道耦合(Spin-orbit coupling)效应较强的金属体系内。
正如电动势驱动电路中电流的产生，自旋流存在时也伴有在界面或铁磁材料的两端形成自旋压(spin voltage)，可以视为由这种自旋压驱动着自旋流形成。
自旋流的产生和输运对自旋电子学器件至关重要，比如在磁随机存储器(magnetic random access memory)中可采用自旋流向磁材料中的畴壁施加力矩来实现精确操控其运动，从而获得信息存储功能。
在自旋Seebeck 效应被发现之前，人们已在自旋电子学的自旋流产生与输运领域做了广泛工作，从石墨烯器件的自旋注入到铁磁|反铁磁|绝缘体|铁磁多层结构自旋阀中的自旋输运，再到隧穿磁阻[6]，自旋转移力矩[7]以及自旋霍尔效应[8]。
最初一种重要的自旋流产生方式是通过施加电场引发材料界面的自旋注入，比如在铁磁金属与半导体之间形成欧姆接触而获得铁磁金属中自旋极化电流注入到半导体中，这样极化电子的注入自然引起自旋角动量的转移，也就是自旋流的产生。
所有这些对自旋流产生与输运的研究大大促进了自旋电子学的发展，特别是为后来促成自旋Seebeck 效应的发现及其理论研究奠定了基础。
2. 自旋Seebeck效应中的基本概念2.1. 作为媒介的准粒子——磁振子一般地，对于铁磁，反铁磁等晶格自旋系统，通过量子交换作用耦合引起的自旋低能激发态以自旋波形式出现；类比用声子概念来描述固体中的弹性力耦合引起的晶格振动模式，研究者们提出了一种描述自旋波激发的量子[9]。
这种准粒子被称为磁振子，它是携带一个单位自旋角动量() 的玻色型集体激发,与声子一样具有波矢与能量。
一定条件下，在局域自旋系统(如铁磁绝缘体等)与传导电子系统(如非磁金属)的界面，会发生方向垂直于界面的自旋流输运，即局域磁矩通过发射磁振子来损失自旋角动量，并由传导电子吸收自旋角动量同时发生自旋反转的现象。
这样磁振子就作为一种媒介，实现了净自旋角动量在不同体系间的转移[10]。
2.2. 重要子过程——自旋泵浦效应2.2.1. 基本概念一般地，在局域磁矩低能激发后的铁磁绝缘体与非磁金属的界面会存在自旋泵浦效应，即局域磁矩通过在这个界面的s-d交换耦合作用[12]，以绕中心轴(朝向同外加磁场方向)进动的方式“泵入”自旋角动量到非磁金属的过程(如图1所示)。
实质上，在一些磁振子阻尼较弱的磁性绝缘体中，磁化动力学本身的耗散损失非常小。
于是当我们将一非磁金属置于磁性绝缘体表面并与之实现良好接触时，磁化动力学将诱导出自旋泵浦效应，并反过来引起角动量往金属中传导电子系统中转移。
2002年，Tserkovnyak, Brataas and Bauer等人提出自旋泵浦(spin-pumping)机制将纯自旋流由铁磁体注入到非磁金属[13]。
自旋泵浦效率的提高对于增强自旋流注入至关重要，一般可以用微波铁磁共振(ferromagnetic resonance.)的方法来激发铁磁|非磁金属界面的自旋泵浦[14]，采用的原理是磁体磁化强度矢量受微扰会有自旋波激发产生，并在磁体内传播过程中不断衰减(称为Gilbert阻尼)，而调节能量源-微波的共振频率可以弥补对应频率磁振子的这种能量损失，使得自旋流维持下去。
此外，研究者们广泛采用自旋混合电导(spin-mixing conductance)来表征自旋泵浦的效率[15]。
它本身是一个复数，虚部决定界面旋磁比(interface gyromagnetic ratio)，实部决定界面Gilbert阻尼(interface Gilbert damping)。
另外，对于自旋Seebeck效应可分为两种构型，横向构型(Transverse Spin Seebeck Effect，即非磁金属中热自旋流注入方向垂直于磁体中施加的温度梯度方向的情形)和纵向构型(Longitudinal Spin Seebeck Effect，热自旋流注入方向平行于温度梯度方向的构型)，对应的自旋泵浦物理和机制解释也有所不同[16]。