Propriedades termoelétricas do normal balístico

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14263 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Os semimetais de Weyl são uma nova classe de materiais topológicos que possuem excelentes propriedades físicas. Investigamos as propriedades termoelétricas de uma amostra balística de semimetal Weyl conectada a dois contatos normais. Introduzimos um modelo para avaliar os coeficientes termoelétricos da junção e analisar suas características ao longo de duas direções distintas, uma ao longo do eixo quiral do semimetal de Weyl e outra perpendicular a ele. Demonstramos que a resposta termoelétrica desta junção depende se ela está ou não ao longo do eixo quiral do semimetal de Weyl. As condutâncias elétrica e térmica desta junção revelam uma dependência considerável do comprimento e do potencial químico da camada semimetálica de Weyl. Em particular, observamos que a diminuição do potencial químico nos contatos normais aumenta o coeficiente de Seebeck e o valor de mérito termoelétrico da junção para valores substanciais. Assim, revelamos que uma junção balística de semimetal Weyl pode servir como um segmento fundamental para aplicação em futuros dispositivos termoelétricos para captação de energia térmica.

Os semimetais de Weyl (WSMs) são uma nova classe de matéria topológica que recentemente atraiu um imenso interesse . As bandas de condução e de valência na dispersão de energia dos WSMs se tocam em um número par de nós de Weyl e possuem dispersões lineares ao seu redor . O número e a quiralidade dos nós de Weyl são especificados pela classe de simetria do material4. WSMs são categorizados em tipo I5 e tipo II6, dependendo se eles têm um ponto semelhante a superfícies de Fermi abertas ao redor dos nós de Weyl. Alguns fenômenos novos e exóticos, como anomalia quiral7, efeito Hall anômalo8,9, magnetorresistência negativa10 e efeito Nernst anômalo11 foram observados em WSMs.

O calor é dissipado na maioria dos dispositivos e é principalmente desperdiçado ou causado pelo superaquecimento do dispositivo, causando interferência em seu funcionamento. Os efeitos termoelétricos (TEs) são promissores para a coleta de energia renovável e para a separação de resíduos de energia em dispositivos por meio da conversão calor-tensão, bem como para outras aplicações, como termometria e refrigeração . Materiais termoelétricos com alta eficiência termoelétrica podem converter calor residual em eletricidade útil14,15. A eficiência de um sistema para gerar energia elétrica a partir de um gradiente de temperatura é determinada por coeficientes termoelétricos16. O coeficiente de Seebeck especifica uma corrente (condição de contorno fechado) ou uma polarização (condição de contorno aberto) que é induzida devido à diferença de temperatura mantida entre dois reservatórios conectados ao sistema . O coeficiente de Nernst, ou coeficiente transversal de Seebeck, determina a corrente termicamente induzida (polarização) gerada na direção transversal tanto ao gradiente de temperatura quanto ao campo magnético aplicado . A identificação de materiais com altas respostas termoelétricas é crucial para o desenvolvimento de novos geradores e resfriadores elétricos. Além disso, os coeficientes termoelétricos fornecem informações sobre o fluxo de energia e carga devido ao alto impacto da densidade de estados nos coeficientes termodinâmicos do que na condutância elétrica20,21,22. Portanto, a investigação de TEs pode ser um implemento robusto para a exploração da dinâmica do sistema.

A contribuição eletrônica para a condutividade térmica e a termopotência de WSMs e semimetais de Dirac (DSMs) foi estudada usando uma abordagem semiclássica de Boltzmann . Verificou-se que a condutividade térmica e a termopotência possuem uma dependência excitante do potencial químico que é característico da dispersão eletrônica linear desses materiais . Foi demonstrado que esses materiais têm um comportamento muito singular em dopagem zero e temperatura zero devido a uma anomalia quântica. A potência termoelétrica e o valor de mérito termoelétrico de DSMs e WSMs submetidos a um campo magnético quantizante crescem linearmente com o campo sem saturação e podem atingir valores extremamente elevados . O impacto da curvatura de Berry e da magnetização orbital na energia térmica em WSMs inclinados foi investigado . Verificou-se que a inclinação dos nós de Weyl induz termos de campo magnético linear nas matrizes de condutividade e termopotência. O termo B linear aparece nos coeficientes de Seebeck quando o campo B é aplicado ao longo do eixo de inclinação. O efeito Nernst em DSMs e WSMs assimétricos de inversão foi calculado dentro da abordagem semiclássica de Boltzmann . Verificou-se que nos pontos Dirac, a resposta Nernst de baixa temperatura e baixo campo magnético é dominada pelo efeito Nernst anômalo, decorrente de um perfil não trivial da curvatura de Berry na superfície de Fermi. Além disso, os efeitos anômalos de Nernst e Hall térmico em um modelo linearizado de baixa energia de WSMs inclinados foram estudados .