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鈉氧化鈷的熱電效應

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Jun 10, 2003

編輯 Agape 報導

普林斯頓大學的研究小組﹐根據實驗的結果推論﹐鈉氧化鈷所呈現異常優越的熱電效應﹐應該是來自電荷自旋的結果。

所謂的熱電效應(thermoelectric effect) ﹐是當受熱物體中的電子(洞) ﹐因隨著溫度梯度由高溫區往低溫區移動時﹐所產生電流或電荷堆積的一種現象。而這個效應的大小﹐則是用稱為thermopower(Q)的參數來測量﹐其定義為 Q = E / -dT(E為因電荷堆積產生的電場﹐dT則是溫度梯度)。

鈉氧化鈷(NaxCo2O4) ﹐是一種具有比普通金屬高十倍的thermopower的熱電效應物質。它的特性﹐是首先由日本的科學家所發現。然而﹐其他的科學家們先後利用了霍爾效應﹑熱容量實驗﹑以及核磁共振等﹐都無法找出其優越熱電效應的原因。在最近的自然雜誌裡﹐普林斯頓大學物理系的Yayu Wang與其所屬的研究小組﹐利用測量thermopower對外加磁場的反應﹐解開了這個謎。

在一般的金屬中﹐其熱電效應由於電子﹑電洞的互相抵消﹐其thermopower極小。此外﹐由於熱電流通常不受電荷自旋特性的影響﹐如果在電流方向施加磁場﹐也不能對thermopower造成任何作用。然而﹐在具強烈電子交互作用的物質中﹐如過渡金屬化合物﹐其自旋會對thermopower有較大的影響。根據Heikes form﹐Q與電子自旋熵量(spin entropy) 是透過ln(gs*gc) 的關係成正比。此處gs*是自旋的簡併數(degeneracy) ﹐gc則是因鍵結結構形成的簡併數。所以﹐若是對此種物質施加磁場﹐除去因自旋造成的簡併(gs=1) ﹐則應該會在其thermopower上觀察到顯著的改變。

Wang等人的實驗﹐是在低溫下對鈉氧化鈷施加達14T的磁場﹐來觀察其thermopower的變化。他們發現﹐當施加的磁場是沿著熱電流的方向時﹐thermopower會隨著磁場增加而變小。此外﹐如果磁場方向是與熱電流平面垂直時﹐所測量到的thermopower也具有類似的減弱現象﹐只是所減弱的程度較少。他們根據理論的預測﹐以及實驗的數據﹐表示鈉氧化鈷的熱點效應﹐確實是其中電荷自旋交互作用的結果。而且﹐由於測量到的電荷電流與自旋電流的方向一致﹐他們可以確定其中導電的電荷為電洞。這個結果﹐與他們所用來解釋鈉氧化鈷中﹐三價鈷離子與四價鈷離子自旋能階的模型相符合。

Wang等人的實驗﹐不僅是找到了鈉氧化鈷的良好熱電效應的原因。由於熱電效應物質﹐可以應用在製造微型冷卻系統上﹐他們的實驗結果﹐或許可以為尋找開發更好的熱電效應物質﹐提供一個新的方向。

原始論文:

PhysicsWeb: Thermopower in a spin

Spin entropy as the likely source of enhanced thermopower in NaxCo2O4, Y. Wang et al., Nature 423, 425 (2003)

參考來源:

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