Название:Вклад топологических состояний в термоэлектрические свойства топологических изоляторов и полуметаллов Вейля
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе, 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры
Ключевые слова:термоэлектричество, термоэлектрические преобразователи, термоэлектрическая эффективность, топологические состояния, топологические изоляторы, полуметаллы Вейля и Дирака
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Бурков,АТ
Подразделения:
Код проекта:16-42-01067
Исполнители: Nielsch,K : None
Аннотация

Термоэлектрические преобразователи энергии обладают очень привлекательными свойствами для применения их в технологиях, обеспечивающих утилизацию низкопотенциальных отходов тепла. Однако сравнительно низкая эффективность современных термоэлектрических материалов препятствует широко масштабному распространению термоэлектрических устройств. Поэтому требуются дальнейшие исследования, направленные на повышение эффективности термоэлектрических материалов, улучшение их стабильности и совместимости с требованиями охраны окружающей среды. Сложность этого улучшения связана с сильной взаимозависимостью параметров материала, определяющих эффективность термоэлектрического преобразователя: эффективный термоэлектрик должен иметь большую термоэдс и электропроводность, в то время как его теплопроводность должна быть мала. Однако материалы с высокой электропроводностью обычно имеют низкую термоэдс и высокую теплопроводность. Недавнее открытие нового класса материалов - топологических изоляторов (ТИ) - привело к появлению дополнительных степеней свободы в стратегии разделения электрического и теплового транспорта. В этом случае, благодаря высокой подвижности поверхностных топологических состояний, в некоторых экспериментально достижимых условиях электронный транспорт преобладает на поверхности ТИ, а перенос тепла определяется объемом.

Еще более экзотические свойства имеют другие недавно открытые представители быстро растущего семейства материалов с топологически нетривиальной электронной структурой. Это полуметаллы Вейля и тесно связанные с ними полуметаллы Дирака. Полуметаллы Вейля имеют поверхностные состояния, топологически нетривиальная природа которых проявляется в их поверхности Ферми, имеющей форму открытой дуги (дуги Ферми), а не замкнутой кривой, как в любом обычном двухмерном металле. Более того, в полуметаллах Вейля не только поверхностные состояния но и вейлевские фермионы в объеме топологически защищены и имеют высокую подвижность.

Недавно обнаруженным кандидатом в семейство полуметаллов Вейля является SrSi$_2$. Измерения термоэлектрических свойств этого соединения показали, что при комнатной температуре его безразмерная термоэлектрическая эффективность близка к 0.4 и сравнима с величиной $ZT$ у хороших среднетемпературных термоэлектриков. Комбинация уникальной электронной структуры, перспективных термоэлектрических свойств и фазовой стабильности в широком температурном интервале делает SrSi$_2$ одним из лучших материалов для изучения влияния топологических состояний, как объемных так и поверхностных (принадлежащих дугам Ферми), на термоэлектрические свойства.

Конкретной целью данного проекта является экспериментальное и теоретическое исследование термоэлектрических свойств топологических изоляторов и полуметаллов Вейля, ориентированное на обнаружение вклада топологических состояний в термоэлектрический транспорт и выяснение физических механизмов, позволяющих использовать эти состояния для увеличения термоэлектрической эффективности.

Так как электронная структура, методы изготовления и легирования топологических изоляторов Bi$_2$Se$_3$, Bi$_2$Te$_3$ исследованы гораздо лучше, чем у полуметаллов Вейля, ТИ будут исследованы для разработки методов выделения вклада топологических состояний в термоэлектрические свойства. Исследования, направленные на разделение вкладов поверхностных и объемных состояний, будут включать изготовление высококачественных монокристаллов, тонких пленок и нанокристаллических Bi$_2$Se$_3$, Bi$_2$Te$_3$ с различными уровнями легирования, изучение их электронной структуры и высокоточные измерения термоэлектрических свойств.

Исследование SrSi$_2$ как материала, являющегося кандидатом в класс полуметаллов Вейля, будет включать разработку метода его синтеза и процедуры легирования. Будут предприняты попытки изготовления монокристаллов SrSi$_2$ методами газового транспорта и Бриджмена. Чтобы подтвердить принадлежность материала к классу полуметаллов Вейля и выявить взаимосвязь между топологическими особенностями электронной структуры и термоэлектрической эффективностью, для исследования зонной структуры этого материала будет использована фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES). Будут изучены электронная структура и термоэлектрические свойства массивных и тонкопленочных образцов SrSi$_2$. На основе теоретического анализа полученных результатов будут определены топологические вклады в термоэлектрические свойства. Будет разработана теоретическая модель, позволяющая оптимизировать параметры топологически нетривиальной электронной структуры для достижения максимальной термоэлектрической эффективности.

Ожидаемые результаты

Будут изготовлены высококачественные монокристаллы и монокристаллические тонкие пленки топологических изоляторов Bi$_2$Se$_3$, Bi$_2$Te$_3$, будут исследованы электронная структура и транспортные свойства этих соединений. На основе теоретического анализа полученных экспериментальных результатов будет выявлен вклад топологических состояний в термоэлектрические свойства Bi$_2$Se$_3$, Bi$_2$Te$_3$.

Будут разработаны методы синтеза и легирования SrSi$_2$. Будут изготовлены монокристаллы, поликристаллические и нанокристаллические тонкие пленки. Эти разработки приведут к созданию нового экологически чистого термоэлектрического силицида с потенциально высокой эффективностью и хорошей стабильностью. Использование фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением для изучения электронной структуры SrSi$_2$ позволит выяснить, принадлежит ли это соединение к семейству полуметаллов Вейля. Согласованные исследования электронной структуры и электронного транспорта в образцах SrSi$_2$ с различным уровнем легирования и с различной микроструктурой совместно с теоретическим анализом позволят определить вклад топологических состояний в термоэлектрические свойства. Достижение главной цели проекта - выяснение физических механизмов, контролирующих термоэлектрический транспорт в топологически нетривиальных проводниках, и способов оптимизации параметров электронной структуры материала для максимизации соответствующих вкладов - откроет новое направление для значительного увеличения эффективности термоэлектрического преобразования энергии. Это окажет значительное влияние на термоэлектрическое преобразование энергии в целом.