上周，来自日本丰田和Sumitomo的联合研究团队在Nature Communications发表论文，报道在Cu2Se中测得超过400的热电优值ZT，震惊学界。
要知道，在此之前，文献报道的热电优值ZT最高纪录仅仅是2.6。事实上，将ZT从1提升到2，科研人员花费了近四十年的心血。这从上面这个数据趋势图就可以看出来。而日本这个小组，一下子将ZT提高两个数量级。简直就是一夜之间，从石器时代直接进入信息时代!
Too good to be true? 惊叹，质疑，艳羡，鄙夷，各种表情包都不足以表达热电圈五味陈杂的复杂心情。
这篇题为”Discovery of colossal Seebeck effect inmetallic Cu2Se”的研究论文，通讯作者是Tsunehiro Takeuchi，一位有经验的物理学家。他主要做热电和超导研究，在Nature和PRL都发了不少论文，并不像一位冒失的学者。他当然清楚400的ZT意味着什么。可不，光这个题目就让人震惊。要知道，巨赛贝克系数和金属态，在热电人看来，绝对是不可得兼的两个矛盾体。那么，是什么样的结果，让Takeuchi团队，放出这样一个卫星呢？
图一 赛贝克系数测量与数据
让我们先看如上所示最关键的赛贝克系数数据组图，图b清楚显示在350K有一个巨大的跳跃和符号变化，显示半导体从N型到P型的转换，而在这个温度前还有一个小的从P到N的转换。其中N型赛贝克系数高达–4347μV/K，P型高达1982 μV/K。这个峰值比此前上海硅酸盐所报道的值要高出近两个数量级，而且作者称数据高度可重复，给出了另外五个样品所测得的类似数据。不过相信有经验的读者一定会注意到，图C给出的热电势和温差关系，呈现出比较强的非线性，令人费解。
图二 电导、热导和ZT数据
再看看如上图所示的其他热电数据。首先是电阻，在350K附近跌至最低，其后随温度缓慢上升，显示金属态。由此也导致图b所示的功率因子的巨大峰值。有意思的是，热导虽然有一个小的峰值，但出现的温度与赛贝克温度并不重合。也就是说DSC所测得的相变温度在390K附近，如图d所示。 综合各种因素，最后得到的最高ZT值高达471。对于热电人而言，这无异于一个天文数字。
假如这个结果是正确的，那可能的机理是什么呢？ 结构相变是一个很自然的因素。的确，如上图所示，Cu2Se在350到400K间存在结构相变，由低温六方相转变为高温立方相。有意思的是，作者结构数据显示两相在比较宽的温度范围内共存，而测得的赛贝克峰却非常尖锐。
那么结构相变与两相共存，为什么会带来巨赛贝克系数呢？ 要回答这个问题，需要看看作者非同一般的测量方式，如图一a所示。其关键之处是在垂直于赛贝克系数测量方向，还存在一个较大的温度梯度。也就是纵向和横向都存在温差，而且横向温差更大。作者将纵向所测得的巨赛贝克系数，归咎为横向温度梯度。的确，如果在商用设备均匀环境温度下，赛贝克系数没有如此的异常！
为什么会这样呢，作者解释为在两相共存区，底部的高温相为表面的低温相提供载流子，导致P型N型转换和巨赛贝克系数。作者还做了DFT计算，以支撑这一机制。
可是这个400的ZT值对热电人而言实在是太天方夜谭了，真是如此的话大家都可以洗洗睡了，共产主义已经实现。不出所料，这篇文章在热电圈引发热烈讨论，不少人认为还是测量方法出了问题。其中关键的一个疑点，是DSC比热相变温度和赛贝克峰值温度对应不上，前面有提及。此外，二维温度梯度下所测得的热电系数如何理解，也需要斟酌。
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