二维非平庸拓扑材料的自旋热电子学理论研究

Spin caloritronics is one of frontier topics in condensed matter physics, which involves the interplay between heat, spin, charge, phonon, magnon, and new phenomena. Currently, the research in this field is on its beginning. In this project, we would like to establish a general theory for spin caloritronic transport by taking into account the longitudinal and transverse effects in some selected two-dimensional nontrivial topological materials such as transition-metal dichalcogenides (MoS2-type) and silicene-like (including germanene and stanene, etc.) materials. The effects of several key factors like disorder and charged impurities, electron-phonon and electron-electron interactions on spin caloritronics will be carefully considered. Spin Nernst effect and new effects, e.g., spin Ettingshausen effect and Righi-Leduc effect, will be explored further. As the heat and the spin degrees of freedom can be manipulated independently, it is possible that the ZT values of the thermoelectric devices with the spin caloritronic effects could be higher than those in conventional thermoelectric devices. Thus, we will carefully study how to characterize and manipulate the thermal-electric, thermal-spin current transition effects, and study the external-electric-field-controlled figure of merit in silicene-based spin thermoelectric devices. This project may not only deepen our understanding on basic physics of spin caloritronics, but also may bring some new essential thermoelectric applications.

自旋热电子学是凝聚态物理研究的前沿领域之一，涉及热与自旋、电荷、声子以及磁子的相互作用及新的物理效应。该领域目前仍处在研究初期,本项目选取一些典型的具有非平庸拓扑性质的二维材料，如MoS2类和硅烯类（包括锗烯和锡烯）材料，尝试建立一般的自旋热电子学输运理论，包括纵向和横向效应，同时考虑几个重要因素如非磁无序和带电杂质、电子-声子和电子-电子相互作用等的影响。进一步研究自旋能斯特（Nernst）效应及新效应如自旋Ettingshausen效应和Righi-Leduc效应。由于热和自旋可以分别调控，有可能实现比通常热电优值更高的效率。我们将深入探讨如何表征并调控其热电、热-自旋流转化优值。研究在硅烯类材料形成的器件中由外电场调控的热电、热自旋流优值问题。本项目的研究不仅会加深对热电基础物理的认识，也会为热电领域带来新的突破，产生可能的应用。

项目背景：自旋热电子学是热电研究的拓展，是凝聚态物理研究的前沿领域之一，涉及热、自旋、电荷、声子、磁子的相互作用及新的物理效应。能源是人类的根基，发展绿色能源又迫在眉睫。热电研究把废热发电再利用，是集约型社会的必由之路。由于通常的半导体热电器件存在怎样破坏热电协同的困难，本课题旨在通过研究新兴领域，即自旋热电子学的基本物理内涵、新物理效应，来探索是否可以另辟蹊径，找到废热利用新路径等。..主要研究内容和结果：.研究了铁磁体中施加一个纵向温度梯度诱导的横向温度差或温度梯度效应，即反常Righi-Leduc效应，全面考虑粒子流、自旋流和热流响应，推导出推广的Fourier定律。提出了一种基于单层MoS2类材料构建的以新型自旋热电子学效应为工作机制的H形自旋热电子学电池，可把一臂的温度差转变为另一臂的电压输出。发现器件真实热电优值可以由材料和器件参数调节，破除了通常的热电联动性。证实在反常Righi-Leduc效应中，存在自旋热电子学效应，并指出在自旋弛豫尺度内的纳米器件中，自旋相关热电效应会有更显著贡献。利用量子场论费曼图方法研究了单层MoS2类材料的电子-声子相互作用和无序杂质在低温下对输运散射和电阻率的影响。利用量子场论和规范引力对偶（AdS/CFT）方法分别研究了外尔半金属（Weyl semimetal）中带电杂质对磁致电阻的影响和手征涡旋效应。首次提出拓扑非线性Nernst效应、非线性单向Seebeck效应和非线性平面Nernst效应，这是三种新的热电效应，并在具有非平庸拓扑性质的二维系统里，进行了计算证明。利用第一性原理计算方法，提出了一系列无铅或少铅钙钛矿太阳能电池材料，它们的带隙位于光吸收的理想区间，更稳定，电池性能更好。..科学意义：.研究覆盖基础理论、新物理效应和新材料预测，不仅加深和拓展了已有的物理认识，也具有重要的潜在应用价值。