npj:铁电畴壁—巨热电功率因子的实现

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热电材料是一类可将废热转化为电能，或者反过来利用电流冷却设备的能量转换材料。热电功率因子（σS2）是衡量热电材料能量转换效率的指标，热电功率因子越大表明该材料能量转换效率越高。实现大的热电功率因子以进行高效的能量转换成为热电领域进一步发展的关键障碍。由于塞贝克系数（S）和电导率（σ）之间通常相克，因此很难同时提高塞贝克系数和电导率。到目前为止，已经使用诸如谐振杂质、能量滤波、能带收敛和低维化等措施，来提高热电功率因子。但是，相关报道的热电功率因子的增加很难超过两倍。铁电畴壁是铁电材料中具有不同取向的极化（畴）区域之间的界面。畴壁的极化不连续性会沿畴的方向产生感应电场，从而将自由电荷载流子限制在这些所谓的带电畴壁上。在这里产生的二维（2D）电子气与块体材料相比具有显著不同的特性。

来自爱尔兰科克大学物理系和廷德尔国家研究院的Ðorđe Dangić 和Ivana Savić教授团队，基于第一性原理计算方法预测发现，GeTe铁电畴壁平面具有5倍于块体材料的巨热电功率因子。该团队从电子结构进一步揭示了这种增强的主要原因：1)受限的自由电荷载流子，这是由于界面的极化不连续导致了畴壁费米能级附近电子态局域，从而导致铁电畴壁处形成束缚电荷；2) 畴壁电子能带中费米能级附近的范霍夫奇异点。这些直接导致畴壁平面内塞贝克系数获得了两倍以上的提高，而电导率没有显著的降低。研究结果表明铁电畴壁在纳米热电应用中的潜力，如应用于纳米尺度能量的收集和冷却。另外，畴壁工程以及潜在的铁电氧化物将可在纳米级提高热电功率因子方面创造新的机会。

该文近期发表于npj Computational Materials 6: 195 (2020)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Giant thermoelectric power factor in charged ferroelectric domain walls of GeTe with Van Hove singularities

Ðorđe Dangić, Stephen Fahy & Ivana Savić

Increasing the Seebeck coefficient S in thermoelectric materials usually drastically decreases the electrical conductivity σ, making significant enhancement of the thermoelectric power factor σS2 extremelly challenging. Here we predict, using first-principles calculations, that the extraordinary properties of charged ferroelectric domain walls (DWs) in GeTe enable a five-fold increase of σS2 in the DW plane compared to bulk. The key reasons for this enhancement are the confinement of free charge carriers at the DWs and Van Hove singularities in the DW electronic band structure near the Fermi level. These effects lead to an increased energy dependence of the DW electronic transport properties, resulting in more than a two-fold increase of S with respect to bulk, without considerably degrading the in-plane σ. We propose a design of a nano-thermoelectric device that utilizes the exceptional thermoelectric properties of charged ferroelectric DWs. Our findings should inspire further investigation of ferroelectric DWs as efficient thermoelectric materials.

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