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Realizing record-high transverse thermoelectric figure of merit at room temperature in artificially tilted multilayers based on high power factor NiFe alloy

本文报告了在由 Ni $_{50}$ Fe $_{50}$ 和 Bi $_{0.2}$ Sb $_{1.8}$ Te $_{3}$ 组成的构造成型倾斜多层结构中，通过利用合金的高功率因子以及组分层之间显著的输运性质对比，在无需外加磁场的情况下，实现了 0.36 的创纪录室温横向热电优值 ( $z_{yx}T$ )。

原作者： Yebin Lee, Fuyuki Ando, Takamasa Hirai, Keisuke Hirata, Kota Hasegawa, Ken-ichi Uchida

发布于 2026-08-17

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CC BY 4.0

原作者： Yebin Lee, Fuyuki Ando, Takamasa Hirai, Keisuke Hirata, Kota Hasegawa, Ken-ichi Uchida

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一个我们可以将废热直接转化为电能，或者无需任何运动部件或嘈杂风扇就能为电子设备降温的世界。这就是热电技术的梦想。通常情况下，为了实现这一点，科学家们会构建复杂的材料堆叠，就像一个“三明治”，热量从一侧直接流向另一侧。但这些“三明治”非常脆弱，难以制造，并且在层与层接触的接缝处会损失大量能量。最近，研究人员尝试了一种不同的技巧：不再让热量直行，而是倾斜材料的层。这迫使热量和电能走一条对角线路径，从而产生横向电压。这就像一个扭曲的水滑梯：水（热量）向下流动，但扭曲的结构会将乘客（电）推向侧面。巨大的挑战在于，如何让这种“扭曲的滑梯”在室温下高效工作，而不需要巨大的、耗电的磁铁来强迫电流移动。

在这项研究中，一个科学团队利用一种巧妙的材料组合，制造出了一个打破纪录的“扭曲滑梯”版本。他们创建了一种被称为“人工倾斜多层结构”（ATML）的结构，这本质上是两种截然不同的材料交替堆叠的薄片：一种是镍铁（NiFe）金属合金，另一种是名为碲化铋锑（BST）的半导体。可以将其想象成以一个锐角堆叠高速公路（金属层）和颠簸泥路（半导体层）的薄片。当他们加热一侧时，这两种材料处理电力和热量的差异迫使电流向侧面喷射，从而产生电压。

研究人员发现，通过仔细选择倾斜角度（约20度）和每一层的厚度，他们实现了在室温下高达 0.36 的性能评分，即横向热电优值（ $z_{yx}T$ ）。对于这种不需要外部磁铁的器件来说，这是一个新的高分记录。为了确保这不仅仅是运气好或计算结果，他们直接测量了每一个环节。他们检查了金属和半导体交界处的电阻和热流，发现这些“接缝”极其紧密，并没有阻碍流动。他们还测量了横向移动的热量和产生的电压，证实其实际测量结果与数学预测完美吻合。这项工作表明，通过简单地倾斜合适的材料，我们就可以创造出高效、无需磁铁的设备，用于在地球上收集能量或为电子设备降温，而无需极低温或强大的磁铁。

技术摘要：NiFe/BST 人工倾斜多层结构中创纪录的横向热电优值

问题陈述
传统的纵向热电器件依赖于由多个 p 型和 n 型半导体对组成的复杂 $\pi$ 型模块。这种架构存在固有的结构限制，包括机械脆弱性以及由于众多界面处的累积电热阻导致的显著效率损失。虽然通过人工倾斜多层结构（ATMLs）中的非对角塞贝克效应（ODSE）实现结构对称性破缺可以提供一种单体、无接点的替代方案，但实现具有竞争力的室温性能且无需外部磁场仍然是一个关键挑战。现有的无场方法（例如永久磁铁中的反常能斯特效应，ANE）通常产生的优值较低（ $z_{yx}T \sim 10^{-3}$ ），而通过 ATMLs 实现的 ODSE 之前曾达到 $z_{yx}T \approx 0.20$ 至 $0.30$，但这些研究通常依赖于计算而非直接测量的热导率。

方法论
作者通过交替且倾斜地堆叠两种具有对比传输特性的材料，设计了一个 ATML 系统：高功率因数的 $Ni_{50}Fe_{50}$ (NiFe) 合金和 p 型 $Bi_{0.2}Sb_{1.8}Te_3$ (BST) 半导体。

设计策略： 本研究利用了 NiFe 的大负塞贝克系数和高电/热导率，以及 BST 的大正塞贝克系数和较低的电/热导率。通过解析模型计算了最优几何参数（倾斜角 $\theta$ 和厚度比 $t$ ），以最大化横向热电优值（ $z_{yx}T$ ）。
制备： 使用放电等离子烧结（SPS）在 500 °C、30 MPa 条件下制备多层结构。所得块体经切割以实现倾斜角 $\theta = 20^\circ$ 和 NiFe 厚度比 $t = 0.52$ 。
表征：
- 微观结构： 使用扫描电子显微镜 (SEM) 和能量色散 X 射线谱 (EDS) 验证层完整性并分析界面扩散。
- 界面传输： 在堆叠方向上绘制电电阻和温度分布图，以量化界面电热阻。
- 性能测量： 在零磁场条件下，在室温 (3 00 K) 下直接测量了所有关键传输参数——横向热电动势 ( $S_{yx}$ )、电导率 ( $\sigma_{yy}$ ) 和热导率 ( $\kappa_{xx}$ )。与以往依赖计算 $\kappa_{xx}$ 的研究不同，本工作采用了稳态法进行直接测量。

主要结果

创纪录性能： 基于 NiFe/BST 的 ATML 在无外部磁场的情况下，在室温下实现了 $z_{yx}T = 0.36$ 的横向热电优值。这一数值代表了迄今为止报道的室温 ATML 系统中最高的 $z_{yx}T$ 。
实验验证： 测得的 $z_{yx}T$ $z_{y x} T$ 为 0.36，与 0.36 的解析预测值高度吻合。直接测量结果如下：
- 横向热电动势 ( $S_{yx}$ ): $-68.4 \pm 0.2$ $\mu$ V K $^{-1}$ 。
- 电导率 ( $\sigma_{yy}$ ): $1.02 \times 10^6$ S m $^{-1}$ 。
- 热导率 ( $\kappa_{xx}$ ): $4.00 $W m$ ^{-1} $K$ ^{-1}$。
界面质量： 微观结构分析显示，存在一个由 FeTe 和 NiTeSb 合金组成的层状界面反应层（~50 $\mu$ m），该层起到了坚固粘合剂的作用。至关重要的是，定量分析表明，界面电热阻分别仅占体电阻的 ~5% 和 ~7%。这种寄生电阻的最小化确保了实现 ODSE 所需的宏观传输对比度得以保留。
对比： 该性能超越了先前报道的结合了 SmCo $_5$ 、Ni、n 型 $Bi_2Te_{2.7}Se_{0.3}$ 和 Co 的 BST ATML 系统，特别是在零磁场环境下且基于完全实验确定的参数方面。

意义与主张
本文声称，这些结果为室温下横向热电材料的实际应用铺平了道路。通过证明仅通过 ODSE 即可在无场环境下实现高性能横向转换，本研究解决了该领域的一个主要瓶颈。高功率因子金属合金 (NiFe) 与传统 p 型半导体 (BST) 的成功结合，结合对所有传输系数的严格直接测量，验证了 ATMLs 用于高效热能收集和固态制冷的可行性。作者得出结论，尽管目前的性能是创纪录的，但未来的工作必须系统地表征这些系数的温度依赖性，以确定是否可以通过进一步改进来实现废热回收和固态制冷应用。

技术摘要：NiFe/BST 人工倾斜多层结构中创纪录的横向热电优值

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