拓扑热电材料Mg3Sb2的样品制备与热电性能研究文献综述

 2022-08-16 06:08

拓扑半金属材料Mg3Sb2的特性研究综述

【摘要】为了进一步加深对拓扑半金属Mg3Sb2的认识，对国内外相关材料的理论性论文文献和实验性论文文献进行了全面深入的研究。近期，拓扑半金属在凝聚态物理和材料科学中得到了广泛的研究兴趣，而拓扑型半金属材料与传统半金属材料相比拥有更加优良的结构和性质，研究重心也逐渐从探究材料的结构特性转向探究更加稳定、高效的新型半导体材料。研究发现，Mg3Sb2的高热电性能使其在实际热电应用中具备巨大潜力，随着Mg3Sb2的结构性质不断被发掘，其作为一种新型拓扑半金属材料的优异性日益凸显。

【关键词】拓扑材料；半金属；Mg3Sb2；Mg3Bi2

  1. 开展文献综述的背景

自从有关整数量子霍尔效应的研究把拓扑的概念引入到凝聚态物理中，研究材料的拓扑性质已经成为凝聚态物理重要的发展方向之一。拓扑材料受自身拓扑性质的保护作用，不易受杂质、微扰的影响，而实际材料往往具备时间对称性、空间对称性等不同的对称性以及不同的能带结构，导致拓扑材料的种类十分丰富。自2012年以来，物理学家们的研究重心逐渐转移到一种新型的拓扑材料—拓扑半金属上，半金属大多是半导体，具有导电性，导电性对温度的依从关系通常与金属相反，如果加热半金属，其电导率随温度的升高而上升。半金属大都具有多种不同物理、化学性质的同素异形体，广泛用作半导体材料。通过理论和研究，拓扑半金属逐渐展现出的各类优良性质让人们理解并丰富了对拓扑材料性质的认识，而研究新型拓扑半金属材料也具备巨大的发展潜力和应用市场。

本文采用文献研究的方式，通过对拓扑半金属材料Mg3Sb2现有的理论研究、实验研究等文献进行分析和整理，这些文献来自学术研究机构、学术信息数据库等渠道。

  1. 拓扑半金属材料Mg3Sb2相关性质的研究和实验活动
  2. Mg3Sb2热电性能的研究

热电材料的热电转换效率主要取决于优值系数zT,其表达式为zT =alpha;^2Tsigma; /kappa;,其中alpha;为Seebeck系数,sigma;为电导率,kappa;为热导率,T为温度.并且热电材料的zT值越高越好。Kazuki Imasato、Saneyuki Ohno等人在高真空条件下，利用2 T磁场，采用四点式探针法同时测量Mg3Sb2和Mg3Bi2合金的霍尔系数和电阻率。用Netzsch LFA 457在动态氩气气氛下用闪蒸法测量了热扩散系数D。[1]他们注意到ZT的期望峰值温度高于Mg3Sb2的最高运行温度，从图1可以看出，Mg3Sb2试样在达到最高操作温度后zT值仍在增加。如果样品达到更高的温度（但由于稳定性要求，无法达到），就可以得到更高的zT值。能带结构计算预测Mg3Sb2的带隙小于0.41 eV,[2]由于Mg3Sb2 的带隙使得zT峰在高于稳定极限的温度下出现，他们发现尽管带隙减小，但Mg3Sb2合金化对热电材料的电性能有利，并且他们发现在Mg3Sb2和Mg3Bi2合金中Mg3Bi2中占比为20-30%时材料的热电性质最佳。

图1 Mg3Sb2 Mg3Sb2和Mg3Bi2合金n型试样zT曲线

而Matthias、Kazuki等人成功地建立了一个基于物理的模型，通过考虑热膨胀的贡献，结合实验测量的低温热容来评估高温下的Cp。结果表明，整个固溶范围的高温热容量可以简单地用一个多项式方程来描述：

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