【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，微納電子器件與量子計算機研究院沈健/何攀課題組在能斯特效應的非線性響應研究上取得進展。相關成果以“Nonlinear Nernst effect in trilayer graphene at zero magnetic field”為題，于2025年6月23日發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志上。
能斯特效應是一種重要的熱電現(xiàn)象，它描述了在材料中施加溫度梯度時，產(chǎn)生橫向電壓的現(xiàn)象。它不僅在基礎物理研究中具有重要意義，還在熱電能量轉化應用中展現(xiàn)了巨大的潛力。傳統(tǒng)能斯特效應需要外加磁場或磁性材料來打破時間反演對稱性，這限制了其在微型化和電路集成中的應用。近年來，理論預測了一種非線性能斯特效應，即使在沒有外加磁場和磁性材料的情況下也能產(chǎn)生橫向電壓。然而，此前這一效應尚未得到實驗驗證。
在此背景下，微納電子器件與量子計算機研究院沈健/何攀課題組通過在ABA構型三層石墨烯中進行實驗，首次成功觀測到了零磁場下的非線性能斯特效應。實驗中，研究人員利用交變溫度梯度下的電學諧波測量技術，探測到在低于12開爾文的溫度下，三層石墨烯中出現(xiàn)了顯著的非線性能斯特效應。該效應與溫度梯度呈二次方關系，并且在能帶電荷中性點附近顯著增強，其等效能斯特系數(shù)高達300微伏/開爾文，遠超傳統(tǒng)磁性材料中的最高能斯特系數(shù)。當溫度梯度方向反向時，非線性能斯特效應產(chǎn)生的電場方向保持不變，這與二階非線性效應的理論預期完全一致。
進一步，該實驗團隊與復旦大學理論物理與信息科學交叉中心謝心澄院士/江華教授團隊合作，建立了非線性能斯特效應與線性塞貝克效應之間的標度律，確認了斜散射機制在高遷移率材料中驅(qū)動非線性能斯特效應起主導作用。這一發(fā)現(xiàn)不僅驗證了理論預測，還為實現(xiàn)和利用巨大非線性熱電響應進行能量收集和制冷應用提供了新的途徑。
這一突破性的成果展示了非線性能斯特效應在熱電能量轉換中的巨大潛力。與傳統(tǒng)的線性能斯特效應相比，非線性能斯特效應無需外加磁場和磁性材料，避免了磁場對設備微型化和集成化的限制。此外，三層石墨烯中的巨大能斯特系數(shù)表明，基于非線性能斯特效應的熱電器件在效率和性能上具有一定優(yōu)勢。研究團隊還指出，非線性能斯特效應有望在更廣泛的非中心對稱材料中實現(xiàn)，且可工作于隨空間和時間波動的溫度梯度下，甚至可能在室溫下應用。這一發(fā)現(xiàn)為未來開發(fā)高性能熱電材料和器件提供了新的方向，有望在能源回收、制冷等領域?qū)崿F(xiàn)新的突破。
該研究團隊表示，下一步將致力于探索在更高溫度下實現(xiàn)非線性能斯特效應的可能性，并進一步優(yōu)化材料性能以提高其實際應用價值。此外，他們還將探索如何通過磁場調(diào)控非線性能斯特效應，以及研究不同機制的非線性能斯特效應，以拓展其在不同應用場景中的潛力。這些研究將為熱電領域帶來了新的理論和實驗突破，也為未來開發(fā)新型高性能熱電器件提供重要的科學依據(jù)和技術支持。
復旦大學博士生劉昊，李靜如和博士后張志帆為論文的共同第一作者。復旦大學何攀青年研究員，江華教授和沈健教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了科技部重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金和上海市面上項目的資助。
圖：在ABA三層石墨烯中觀測零磁場下的非線性能斯特效應。a,傳統(tǒng)線性能斯特效應的示意圖。B為磁場，M代表磁性材料中的磁化強度。b，非線性能斯特效應的示意圖。其特征是不需要外加磁場和磁性材料。c，放置在硅片上的h-BN封裝的三層石墨烯結構示意圖。d，熱電效應測量器件的光學顯微鏡照片。e，不同載流子濃度下非線性能斯特電壓隨溫度梯度的變化數(shù)據(jù)。f，在正反溫度梯度下非線性能斯特效應產(chǎn)生的電場隨載流子濃度的變化數(shù)據(jù)。
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