清華大學(xué)馬維剛教授PRL：離子熱電效應(yīng)的熱電學(xué)框架

近日，清華大學(xué)航院張興、馬維剛教授研究團(tuán)隊圍繞熱離子熱電效應(yīng)的物理本質(zhì)這一基礎(chǔ)科學(xué)問題開展系統(tǒng)研究，相關(guān)成果以題為 “熱電學(xué)框架內(nèi)的離子熱電效應(yīng)”（Ionic thermoelectric effect within the framework of thermoelectricity） 的論文發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊 《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

熱電效應(yīng)描述了熱能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，在能源轉(zhuǎn)換和溫度傳感等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。傳統(tǒng)熱電研究主要關(guān)注以電子為載流子的半導(dǎo)體、金屬體系。近年來，以離子遷移為主導(dǎo)的離子熱電材料因其高熱電響應(yīng)、柔性和生物相容性，在柔性傳感和自供能器件等方向展現(xiàn)出廣闊前景。然而，當(dāng)前離子熱電領(lǐng)域的研究基本集中于新材料的開發(fā)，而其熱電學(xué)框架尚未得到充分考慮。

針對上述核心科學(xué)問題，該研究從熱電學(xué)的基本定義出發(fā)，系統(tǒng)梳理并重新界定了離子體系中的塞貝克、帕爾貼和湯姆遜效應(yīng)，糾正了對離子熱電現(xiàn)象的若干普遍誤解。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊聚焦于發(fā)生在異種離子熱電材料界面處的離子帕爾貼效應(yīng)，即由外加電流驅(qū)動的可逆電–熱交換過程。通過構(gòu)建典型的離子熱電異質(zhì)結(jié)體系，并在惰性電極條件下施加電壓，研究人員在實驗上直接觀測到界面處顯著且可逆的吸熱與放熱行為，即使在微小電流下，仍可產(chǎn)生約0.4 K的制冷效應(yīng)。

圖1. 離子帕爾貼效應(yīng)的分子動力學(xué)模擬和實驗結(jié)果。

在明確離子體系中三大熱電效應(yīng)物理內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊系統(tǒng)檢驗了離子熱電效應(yīng)是否滿足經(jīng)典熱電學(xué)中的基本約束關(guān)系。在電子熱電體系中，塞貝克、帕爾貼和湯姆遜系數(shù)之間滿足由昂薩格倒易關(guān)系推導(dǎo)的開爾文關(guān)系，這是判斷熱電過程可逆性和熱力學(xué)一致性的關(guān)鍵依據(jù)。然而，由于離子體系中熱流難以精確測量，研究團(tuán)隊提出了一種基于熱電電動勢的離子熱電系數(shù)測量方法，避免了對熱流的直接測量。通過多組相互獨立的實驗，在實驗上驗證了離子體系中三種熱電系數(shù)在合理誤差范圍內(nèi)滿足開爾文關(guān)系，從而從實驗和熱力學(xué)層面共同討論了離子熱電效應(yīng)與經(jīng)典熱電學(xué)框架的區(qū)別與聯(lián)系。

圖2. 離子系統(tǒng)的開爾文關(guān)系驗證。

總體而言，本項研究在概念、實驗和理論層面系統(tǒng)討論了離子熱電效應(yīng)的物理圖像，為離子熱電材料的理性設(shè)計、新型熱電器件的開發(fā)及相關(guān)交叉研究提供了基礎(chǔ)。

論文的第一作者為清華大學(xué)航院2023級直博生吳翊丹，入選中國科協(xié)青年人才托舉工程(博士生專項)計劃，以第一作者身份在Natl Sci Rew、Phys Rev Lett和Int J Heat Mass Tran等期刊上發(fā)表研究論文5篇。

相關(guān)論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bh7m-fzs8