清華大學馬維剛教授PRL：離子熱電效應的熱電學框架

近日，清華大學航院張興、馬維剛教授研究團隊圍繞熱離子熱電效應的物理本質這一基礎科學問題開展系統研究，相關成果以題為 “熱電學框架內的離子熱電效應”（Ionic thermoelectric effect within the framework of thermoelectricity） 的論文發表在物理學頂級期刊 《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

熱電效應描述了熱能與電能之間的相互轉換，在能源轉換和溫度傳感等領域具有重要應用價值。傳統熱電研究主要關注以電子為載流子的半導體、金屬體系。近年來，以離子遷移為主導的離子熱電材料因其高熱電響應、柔性和生物相容性，在柔性傳感和自供能器件等方向展現出廣闊前景。然而，當前離子熱電領域的研究基本集中于新材料的開發，而其熱電學框架尚未得到充分考慮。

針對上述核心科學問題，該研究從熱電學的基本定義出發，系統梳理并重新界定了離子體系中的塞貝克、帕爾貼和湯姆遜效應，糾正了對離子熱電現象的若干普遍誤解。在此基礎上，研究團隊聚焦于發生在異種離子熱電材料界面處的離子帕爾貼效應，即由外加電流驅動的可逆電–熱交換過程。通過構建典型的離子熱電異質結體系，并在惰性電極條件下施加電壓，研究人員在實驗上直接觀測到界面處顯著且可逆的吸熱與放熱行為，即使在微小電流下，仍可產生約0.4 K的制冷效應。

圖1. 離子帕爾貼效應的分子動力學模擬和實驗結果。

在明確離子體系中三大熱電效應物理內涵的基礎上，研究團隊系統檢驗了離子熱電效應是否滿足經典熱電學中的基本約束關系。在電子熱電體系中，塞貝克、帕爾貼和湯姆遜系數之間滿足由昂薩格倒易關系推導的開爾文關系，這是判斷熱電過程可逆性和熱力學一致性的關鍵依據。然而，由于離子體系中熱流難以精確測量，研究團隊提出了一種基于熱電電動勢的離子熱電系數測量方法，避免了對熱流的直接測量。通過多組相互獨立的實驗，在實驗上驗證了離子體系中三種熱電系數在合理誤差范圍內滿足開爾文關系，從而從實驗和熱力學層面共同討論了離子熱電效應與經典熱電學框架的區別與聯系。

圖2. 離子系統的開爾文關系驗證。

總體而言，本項研究在概念、實驗和理論層面系統討論了離子熱電效應的物理圖像，為離子熱電材料的理性設計、新型熱電器件的開發及相關交叉研究提供了基礎。

論文的第一作者為清華大學航院2023級直博生吳翊丹，入選中國科協青年人才托舉工程(博士生專項)計劃，以第一作者身份在Natl Sci Rew、Phys Rev Lett和Int J Heat Mass Tran等期刊上發表研究論文5篇。

相關論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bh7m-fzs8