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研究快讯 | 几何热电泵浦:不同于塞贝克和热释电的新型能量效应

已有 364 次阅读 2023-10-23 19:19 |系统分类:论文交流

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Geometric Thermoelectric Pump: Energy Harvesting beyond Seebeck and Pyroelectric Effects

Jie Ren (任捷)

Chin. Phys. Lett. 2023, 40 (9): 090501

DOI: 10.1088/0256-307X/40/9/090501


文章亮点

提出了不同于塞贝克效应和热释电效应的第三种热电转换方式——几何热电泵浦(Geometric Thermoelectric Pump,GTEP)。它与非厄米动力学中的拓扑几何相位紧密相关,利用非平衡热力学和热力学几何,在不需要极化材料的情况下,将自然界中时刻存在的温度涨落转换为定向电能,为热电能量转换提供了全新的途径。

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几何热电泵通过环境温度波动进行热电转换的原理。(a)塞贝克效应原理图。(b)热释电效应原理图。(c)几何热电泵示意图。(d)几何热电泵温度及电流随时间变化。(e)单能级纳米器件及其电荷转移动力学的示意图,作为一个几何热电泵例子。(f)温度波动引起的短暂电流(ISC)。温度在TA=300 K和TB=290 K之间跳变,不同颜色的线表示不同参数下产生的电流。


几何热电泵浦:不同于塞贝克和热释电的新型能量效应


研究背景

热电转换对于能量控制和收集,如热感应和废热回收至关重要。迄今为止,研究人员已经了解到两种主要的直接热电转换的主要方式,即塞贝克效应和热释电效应。它们具有不同的工作机制、条件和限制。塞贝克效应利用材料两侧的空间温差驱动载流子的扩散,将热能转化为电能。然而,当环境温度在空间中均匀分布时,人们不得不求助于热释电效应。热释电效应利用时间相关的温度变化将热能转化为电能,但它仅限于热释电材料。塞贝克效应在200年前就已为人知,而热释电效应甚至能追溯到公元前314年。鉴于这两种效应悠久的历史,人们不禁思考:大自然只给予我们这两种主要的热电能量收集方式吗?除了它们之外,是否存在新的热电转换原理?


内容简介

最近,同济大学任捷课题组提出了超越塞贝克效应和热释电效应的第三种热电转换方式——几何热电泵(GTEP)。几何热电泵将时间相关的环境温度波动转化为电能,这与需要空间温差的塞贝克效应不同。几何热电泵也与热释电效应不同,它不需要极性材料且适用于一般导电系统。研究人员以一个经典的单能级纳米器件为例展示了几何热电泵,并说明了这种热电转换方式是通过时间相关的温度波动引起电荷重分布,其原理与非厄米动力学中的拓扑几何相位有着深刻的联系,是非平衡热力学几何的一种体现


研究意义和重要性

该工作提出了超越塞贝克效应和热释电效应的第三种热电转换方式,即几何热电泵(GTEP),该结果加深了人们对类量子几何相位诱导的多物理耦合泵效应的理解,并提供了热电能量收集的新手段


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