Propriétés thermoélectriques de la normale balistique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14263 (2023) Citer cet article

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Les semi-métaux de Weyl constituent une nouvelle classe de matériaux topologiques possédant des propriétés physiques exceptionnelles. Nous étudions les propriétés thermoélectriques d'un spécimen semi-métallique balistique de Weyl connecté à deux contacts normaux. Nous introduisons un modèle pour évaluer les coefficients thermoélectriques de la jonction et analysons ses caractéristiques selon deux directions distinctes, l'une le long de l'axe chiral du semi-métal de Weyl et l'autre perpendiculaire à celui-ci. Nous démontrons que la réponse thermoélectrique de cette jonction dépend du fait qu'elle se trouve ou non le long de l'axe chiral du semi-métal de Weyl. Les conductances électriques et thermiques de cette jonction révèlent une dépendance considérable à l'égard de la longueur et du potentiel chimique de la couche semi-métallique de Weyl. En particulier, nous observons que la diminution du potentiel chimique dans les contacts normaux augmente le coefficient de Seebeck et le facteur de mérite thermoélectrique de la jonction à des valeurs substantielles. Par conséquent, nous dévoilons qu’une jonction balistique du semi-métal de Weyl peut servir de segment fondamental pour une application dans les futurs dispositifs thermoélectriques destinés à la récupération d’énergie thermique.

Les semi-métaux de Weyl (WSM) constituent une nouvelle classe de matière topologique qui a récemment suscité un immense intérêt1. Les bandes de conduction et de cantonnière dans la dispersion d'énergie des WSM se touchent à un nombre pair de nœuds de Weyl et présentent des dispersions linéaires autour d'elles 2,3. Le nombre et la chiralité des nœuds de Weyl sont spécifiés par classe de symétrie du matériau4. Les WSM sont classés en type I5 et type II6 selon qu'ils ont un point comme des surfaces de Fermi ouvertes autour des nœuds de Weyl. Certains phénomènes nouveaux et exotiques tels qu'une anomalie chirale7, un effet Hall anormal8,9, une magnétorésistance négative10 et un effet Nernst anormal11 ont été observés dans les WSM.

La chaleur est dissipée dans la plupart des appareils et est principalement gaspillée ou provoquée par une surchauffe de l'appareil, entraînant des interférences dans son fonctionnement. Les effets thermoélectriques (ET) sont prometteurs pour la récupération des énergies renouvelables et le tri des déchets énergétiques dans les appareils via la conversion chaleur-tension, ainsi que pour d'autres applications telles que la thermométrie et la réfrigération12,13. Les matériaux thermoélectriques à haute efficacité thermoélectrique peuvent convertir la chaleur perdue en électricité utile14,15. L’efficacité d’un système permettant de générer de l’énergie électrique à partir d’un gradient de température est déterminée par les coefficients thermoélectriques16. Le coefficient Seebeck spécifie un courant (condition aux limites fermées) ou un biais (condition aux limites ouvertes) qui est induit en raison de la différence de température maintenue entre deux réservoirs connectés au système17,18. Le coefficient de Nernst, ou coefficient transversal de Seebeck, détermine le courant induit thermiquement (biais) généré dans la direction transversale à la fois au gradient de température et au champ magnétique appliqué19. L'identification des matériaux ayant des réponses thermoélectriques élevées est cruciale pour développer de nouveaux générateurs et refroidisseurs électriques. De plus, les coefficients thermoélectriques fournissent des informations sur le flux d'énergie et de charge en raison de l'impact élevé de la densité d'états sur les coefficients thermodynamiques par rapport à la conductance électrique20,21,22. Par conséquent, l’étude des TE peut constituer un outil robuste pour l’exploration de la dynamique du système.

La contribution électronique à la conductivité thermique et à la thermopuissance des WSM et des semi-métaux de Dirac (DSM) a été étudiée en utilisant une approche semi-classique de Boltzmann23. Il a été constaté que la conductivité thermique et la puissance thermique dépendent fortement du potentiel chimique caractéristique de la dispersion électronique linéaire de ces matériaux24. Il a été montré que ces matériaux ont un comportement très singulier à dopage nul et à température nulle en raison d'une anomalie quantique. La puissance thermoélectrique et le facteur de mérite thermoélectrique des DSM et WSM soumis à un champ magnétique quantifiant croissent linéairement avec le champ sans saturation et peuvent atteindre des valeurs extrêmement élevées25,26. L'impact de la courbure de Berry et de la magnétisation orbitale sur la puissance thermique dans les WSM inclinés a été étudié27. Il a été constaté que l'inclinaison des nœuds de Weyl induit des termes de champ magnétique linéaire dans les matrices de conductivité et de thermopuissance. Le terme B linéaire apparaît dans les coefficients Seebeck lorsque le champ B est appliqué le long de l'axe d'inclinaison. L'effet Nernst dans les DSM et les WSM asymétriques d'inversion a été calculé dans le cadre de l'approche semi-classique de Boltzmann28. Il a été constaté qu'aux points de Dirac, la réponse de Nernst à basse température et à faible champ magnétique est dominée par un effet Nernst anormal, résultant d'un profil non trivial de courbure de Berry sur la surface de Fermi. De plus, les effets anormaux de Nernst et de Hall thermique dans un modèle linéarisé à basse énergie de WSM inclinés ont été étudiés29,30,31,32.