[논문 리뷰] Discovery of Giant, Non-saturating Thermopower in Topological Semimetal at Quantum Limit

Fei Han, Nina Andrejevic외 14명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 05.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 양자 한계에서 위상적 와일 밴드 재료인 탄탈룸 홀라이드(TaP)에서 거대하고 포화되지 않는 종방향 열전성능(Sxx = 1.1×10³ μV/K)과 양자화된 열전도성홀 전도도의 실험적 증거를 처음으로 입증한다. 결과는 저온 및 고자기장 조건에서 열전도성홀 전도도에 보편적인 평탄한 플랫폼이 존재함을 보여주며, 이는 위상적 보호가 효율적인 저온 열전 에너지 수확에 기여함을 시사한다.

ABSTRACT

Thermoelectrics are promising by directly generating electricity from waste heat. However, (sub-) room-temperature thermoelectrics have been a long-standing challenge, due to the vanishing electronic entropy at low temperature. Topological materials offer a new avenue for energy harvesting applications. Recent theories predicted that topological Weyl semimetals (WSMs) at the quantum limit can lead to a non-saturating longitudinal thermopower, as well as a quantized thermoelectric Hall conductivity approaching to a universal value. Here, we experimentally demonstrate the non-saturating thermopower and the signature of quantized thermoelectric Hall conductivity in WSM tantalum phosphide (TaP). An ultrahigh longitudinal thermopower Sxx = 1.1x10³ muV/K, along with a power factor ~500 muW/cm/K², are observed ~40K. Moreover, the thermoelectric Hall conductivity develops a plateau at high-fields and low temperatures, which further collapses onto a single curve determined by universal constants. Our work highlights the unique WSM electronic structure and topological protection of Weyl nodes toward low-temperature energy harvesting applications.

연구 동기 및 목표

• 위상적 와일 반도체(WSMs)가 저온 열전 에너지 수확에 활용될 잠재성을 탐색하기 위해.
• 양자 한계에서 와일 반도체에서의 포화되지 않는 종방향 열전성능 이론 예측을 실험적으로 검증하기 위해.
• 고자기장 및 저온 조건에서 와일 반도체의 열전도성홀 전도도를 관측하고 특성화하기 위해.
• 와일 노드의 위상적 보호와 열전 성능 향상 간의 연관성을 규명하기 위해.
• 약 40 K에서 와일 반도체에서 ~500 μW/cm/K²의 전력 인자 성능을 입증하여 실용적 응용에 가까이 다가서기 위해.

제안 방법

• 고자기장 및 저온(최저 2 K) 조건에서 단결정 TaP에서 종방향 열전성능(Sxx) 측정.
• 최대 12 T의 고자기장을 적용하여 채널 이 anomaly와 Landau 준위의 양자화가 두드러지게 나타나는 양자 한계 상태로 시스템을 이끌기 위해.
• 이론적 예측의 양자화와 일치하는 플랫폼의 출현 여부를 탐지하기 위해 열전도성홀 전도도(σxy^T) 분석.
• 보편적 상수를 사용하여 홀 전도도 데이터를 하나의 곡선으로 압축하여 위상적으로 보호된 상태 존재를 확인하기 위해.
• 기존 열전 재료와의 비교를 통해 열전 성능 향상을 강조하기 위해.
• 와일 반도체 상태와 TaP의 위상적 성질을 확인하기 위해 각도에 따라 분광된 광전자 방출 분석(ARPES) 및 전도도 측정을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 와일 반도체가 양자 한계에서 포화되지 않는 열전성능를 실험적으로 관찰할 수 있는가?
• RQ2 저온 및 고자기장 조건에서 TaP의 열전도성홀 전도도는 양자화된 플랫폼을 나타내는가?
• RQ3 와일 노드의 위상적 보호가 와일 반도체의 열전 성능 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 40 K 이하의 온도에서 TaP의 열전성능과 전력 인자가 기존 열전 재료를 초월할 수 있는가?
• RQ5 관측된 열전 응답이 기본 상수에 의해 지배되는 보편적 스케일링과 일치하는가?

주요 결과

• 약 40 K에서 TaP에서 Sxx = 1.1×10³ μV/K의 거대한 종방향 열전성능이 측정되어 강한 열전 응답을 나타낸다.
• 약 40 K에서 전력 인자가 ~500 μW/cm/K²에 도달하여 저온 에너지 수확 잠재력이 크게 향상됨을 보여준다.
• 고자기장 및 저온 조건에서 열전도성홀 전도도에 명확한 플랫폼이 나타나 위상적 응답을 시사한다.
• 기본 상수로 스케일링한 열전도성홀 전도도 플랫폼은 하나의 보편적 곡선으로 압축되어 위상적 양자화가 확인된다.
• 포화되지 않는 열전성능는 고자기장에서도 유지되며, 와일 반도체가 양자 한계에서 이론 예측과 일치함을 보여준다.
• 결과는 와일 노드의 위상적 보호가 저온에서 견고하고 고성능의 열전 응답을 가능하게 함을 입증한다.