Forskare vid Osaka University har kunnat öka effektfaktorn för ett lovande termoelektriskt material med mer än 100% genom att variera trycket, banar väg för nya material med förbättrade termoelektriska egenskaper. Termoelektriska material har den unika förmågan att generera elektricitet från temperaturskillnader och kan därför potentiellt användas för att omvandla annars bortkastad värme (t.ex. värme från heta bärbara datorer eller servrar) till användbar el.

Förutom att förbättra de termoelektriska egenskaperna hos ett material, forskarna avslöjade att materialets termoelektriska egenskaper härrör från en övergång i topologin i den elektroniska bandstrukturen, som kallas Lifshitz -övergången. Denna övergång skiljer sig från den konventionella fasövergången av Landau-typ, eftersom det sker utan att någon symmetri bryts. Forskare har länge haft anledning att tro att Lifshitz -övergången spelar en avgörande roll i många kvantfenomen, som supraledning, komplex magnetism, och termoelektriska egenskaper, men de saknade direkt bevis.

I denna nya studie, Osaka -universitetets forskare har visat en direkt koppling mellan Lifshitz -övergången och fysiska egenskaper i ett termoelektriskt material. "Vi kunde hålla reda på Lifshitz -övergången genom att applicera tryck och mäta kvantoscillationerna när trycket ökades, "säger motsvarande författare Hideaki Sakai.

Forskarna studerade tinselenid (SnSe), ett termoelektriskt material som också är en halvledare med en liten mängd ledande bärare. I halvledare, valensbandet med lägre energi är fyllt med elektroner, Ledningsbandet med högre energi är tomt för dem. när några föroreningar och/eller kemiska defekter har introducerats, ledande bärare introduceras som elektroner och hål i lednings- och valensbanden, respektive, och halvledaren kommer att bete sig som en ledare. Förutom att det påverkar materialets elektriska ledningsegenskaper, bandstrukturen har också en effekt på kvantfenomen, såsom deras termoelektriska förmågor. Valensbanden av tinselenid är inte helt plana, men har normalt två dalar i sig.

"När vi ökade trycket på materialet, vi observerade en förändring från två till fyra dalar i materialet när Lifshitz -övergången inträffade, "Säger Hideaki Sakai. Forskarna kunde visa både experimentellt och teoretiskt att denna förändring i antalet dalar var direkt ansvarig för att avsevärt förbättra tenn selenids termoelektriska egenskaper.

Resultaten av studien kan hjälpa till att förbereda förbättrade termoelektriska material i framtiden och kan också hjälpa till att klargöra effekten av Lifshitz -övergången på olika transportegenskaper, vilket leder till potentiella tillämpningar, till exempel ny elektronik som utnyttjar dalens frihetsgrader i bandstrukturen.