来自大阪大学的研究团队通过改变压力成功将一种具有应用前景的热电材料的功率因数提高了一倍以上，为新材料热电性能的改善铺平了道路。热电材料1* 具有利用温差发电的独特能力，因此可被用于将废热（例如笔记本电脑或服务器的热量）转换成可用电力。
图1 :(左）SnSe（硒化锡）的层状晶体结构示意图。 （右）SnSe的热电功率因数在150 K和300 K时与压力之间的关系。 插图显示了SnSe中能谷拓扑结构的相应变化。
除了对材料热电性能的改善外，该研究团队还发现，材料的热电效应其实源自其电子能带2* 拓扑结构的转变，这也被称为Lifshitz转变。和传统的Landau型相变不同，这种转变发生时并没有涉及任何对称性的破缺。长期以来，研究者们相信Lifshitz转变在很多量子现象中都起着至关重要的作用，例如超导，磁性以及热电性，但都缺乏直接证据。
大阪大学的研究团队在该项新研究中表明，Lifshitz转变与热电材料的物理性质之间确实存在着直接关联。 “通过施加压力并在压力增加时测量量子振荡，我们已经能够成功精确观测Lifshitz转变，”研究人员酒井英明说。
该团队主要研究了硒化锡（SnSe），这是一种热电材料，也是一种含有少量载流子3* 的半导体。在半导体中，较低能量的价带中充满着电子，而较高能量的导带则是空的；一旦引入杂质或化学缺陷，载流子将分别以导带中的电子或价带中的空穴的形式引入，使半导体表现得像导体一样。除了对材料的导电性产生影响之外，能带结构也对某些量子现象有影响，例如材料的热电性能。硒化锡的价带不是完全平坦的，而是通常包含有两个能谷。
图2：压力下的热电与电学测量装置。
酒井英明说，“当增加施加在材料上的压力时，我们观察到，伴随着Lifshitz转变的发生，材料的两个能谷变为四个，”该研究团队成功地在实验和理论上证明，能谷数量的这种变化直接导致了硒化物热电性能的显著改善。
该研究结果将有助于制备及改进热电材料，并且还可以帮助阐明Lifshitz转变对各种输运性质的影响，从而发展材料的潜在应用，比如涉及带结构中的能谷自由度变化的新型电子器件。
[用词注解]
*1 热电材料：一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。
http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201105/t20110512_3131837.shtml
*2 电子能带：固体材料的能带结构由多条能带组成，类似于原子中的电子能级。电子先占据低能量的能带，逐步占据高能级的能带。根据电子填充的情况，能带分为传导带（简称导带，少量电子填充）和价电带（简称价带，大量电子填充）。导带和价带间的空隙称为禁带（电子无法填充），大小为能隙。
*3 载流子：在物理学中，载流子（charge carrier），或简称载子（carrier），指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位（空穴）被视为载流子。
引用文献：
"Large Enhancement of Thermoelectric Efficiency Due to a Pressure-Induced Lifshitz Transition in SnSe”
Physical Review Letters: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.226601
供稿 钟维
编辑修改 JST客观日本编辑部
