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塞贝克效应Seebeck Effect报告人 ：刘承奔,2018.06,1、热电效应,2、塞贝克效应的定义,3、塞贝克效应的原理,4、塞贝克效应的应用,目 录 Contents,5、塞贝克效应的发展,塞贝克效应（Seebeck Effect）,1、热电效应,2、塞贝克效应的定义,3、塞贝克效应的原理,4、塞贝克效应的应用,5、塞贝克效应的发展,目 录 Contents,塞贝克效应（Seebeck Effect）,资料卡片, 一、热电效应 thermo electric effect,塞贝克效应（Seebeck Effect）,定义：当受热物体中的电子（空穴），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。,相同数目的电子,发生电子扩散的动态热平衡,实质：热能与电能的相互转化,电子的流动传递电荷和热量,资料卡片,塞贝克效应（Seebeck Effect）, 一、热电效应 thermo electric effect,热电效应,Seebeck Effect赛贝克效应,Peltier effect帕尔帖效应,Thomson汤姆逊效应,资料卡片,塞贝克效应（Seebeck Effect）, 一、热电效应 thermo electric effect,Seebeck Effect（1821） 热电第一效应,德国科学家 Seebeck（1770-1831）,两种不同材料AB组成的回路，且两端接触点温度不同时，则在回路中存在电动势的效应。,资料卡片,塞贝克效应（Seebeck Effect）, 一、热电效应 thermo electric effect,Peltier Effect（1834） 热电第二效应,法国科学家 Peltier（1785-1845）,两种不同材料AB组成的回路，通过电流时根据电流方向的不同在接触点出现降温或者升温现象。,资料卡片,塞贝克效应（Seebeck Effect）, 一、热电效应 thermo electric effect,英国科学家 William Thomson (Lord Kelvin)（1824-1907）,当单一导体或半导体在两端有温差以及有电流通过时，会在此导体或半导体上产生吸热或放热的现象,Thomson Effect（1855） 热电第三效应,资料卡片,塞贝克效应（Seebeck Effect）, 一、热电效应 thermo electric effect,第一热电效应“塞贝克效应”：把两种不同的 导体连接成闭合回路，如两个接点的温度不同，则回路中将产生一个电势，称为“热电势”，且温度差越大，热电势亦越大。,三种基本效应：,第二热电效应“珀尔帖效应”：当电流通 过由两种不同的金属组成的回路时，在金属导体中除产生焦耳热之外，还要在接点吸收或放出一定热量珀尔帖热。,第三热电效应“汤姆逊效应”：如果使一金属导体两端保持恒定的温差，在时间t内通过电流i，则在两端点间依电流方向不同放出或吸收一定的热量QT（汤姆逊热）。,1、热电效应,2、塞贝克效应的定义,3、塞贝克效应的原理,4、塞贝克效应的应用,5、塞贝克效应的发展,目 录 Contents,塞贝克效应（Seebeck Effect）,资料卡片,塞贝克效应（Seebeck Effect）, 二、塞贝克效应的定义,塞贝克效应：指由于不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质之间的电压差的热电效应。,中间温度规律：即温差电动势仅与两结点温度有关，与两结点之间导线的温度无关。中间金属规律：即由A、B导体接触形成的温差电动势与两结点间是否接入第三种金属C无关。只要两结点温度T1、T2相等，则两结点间的温差电动势也相等。,其他影响因素：,产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如对于p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势温差电动势。,1、热电效应,2、塞贝克效应的定义,3、塞贝克效应的原理,4、塞贝克效应的应用,5、存在问题及原因,目 录 Contents,塞贝克效应（Seebeck Effect）,资料卡片, 三、塞贝克效应的原理,塞贝克效应（Seebeck Effect）,Seebeck Effect（半导体）：,Seebeck系数为负,Seebeck系数为正,其他因素影响：载流子的能量和速度：因为热端和冷端的载流子能量不同，这实际上就反映了半导体费米能级在两端存在差异，因此这种作用也会对温差电动势造成影响增强Seebeck效应。,声子：因为热端的声子数多于冷端，则声子也将要从高温端向低温端扩散，并在扩散过程中可与载流子碰撞、把能量实际给载流子，加速了载流子的运动声子牵引，这种作用会增加载流子在冷端的积累、增强Seebeck效应。,n型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，p型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型,资料卡片, 三、塞贝克效应的原理,塞贝克效应（Seebeck Effect）,Seebeck Effect（金属）：,电子从热端向冷端的扩散：然而这里的扩散不是浓度梯度（因为金属中的电子浓度与温度无关）所引起的，而是热端的电子具有更高的能量和速度所造成的。显然，如果这种作用是主要的，则这样产生的Seebeck效应的系数应该为负。电子自由程的影响：因为金属中虽然存在许多自由电子，但 对导电有贡献的却主要是Fermi能级附近2kT范围内的所谓传导电子。而这些电子的平均自由程与遭受散射（声子散射、杂质和缺陷散射）的状况和能态密度随能量的变化情况有关。,资料卡片, 三、塞贝克效应的原理,塞贝克效应（Seebeck Effect）,Seebeck Effect（金属）：,如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而增大的话，那么热端的电子将由于一方面具有较大的能量，另一方面又具有较大的平均自由程，则热端电子向冷端的输运则是主要的过程，从而将产生Seebeck系数为负的Seebeck效应；金属Al、Pd、Pt等即如此。如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而减小的话，那么热端的电子虽然具有较大的能量，但是它们的平均自由程却很小，因此电子的输运将主要是从冷端向热端的输运，从而将产生Seebeck系数为正的Seebeck效应；金属Cu、Au、Li等即如此。因为金属的载流子浓度和Fermi能级的位置基本上都不随温度而变化，所以金属的Seebeck效应必然很小，一般Seebeck系数为010mV/K。,1、热电效应,2、塞贝克效应的定义,3、塞贝克效应的原理,4、塞贝克效应的应用,5、塞贝克效应的发展,目 录 Contents,塞贝克效应（Seebeck Effect）,资料卡片, 四、塞贝克效应的应用,热探针图解,热探针能带图,N型半导体：显示电流为正P型半导体：显示电流为负,热探针（Seebeck Effect）,资料卡片, 四、塞贝克效应的应用, 热,电偶（Seebeck Effect）,热电极A,右端称为：自由端（参考端、 冷端）,左端称为： 测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,17,当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势,热电偶（Seebeck Effect）,资料卡片, 四、塞贝克效应的应用,17,温差发电器（Seebeck Effect）,温差电堆,几个温差电偶互相串联构成一个温差电堆，这种装置与单个温差电偶相比，可以提高灵敏度(对温度测量)和增加功率输出(对温差发电)。对温度测量，温度TL是固定的，TH为待测温度，而装置D就是一个度量塞贝克电动势的电位差计；对于产生动力来说，温度TH，TL是两个热源的温度，D则是由产生的电力来运转的负载，A和B分别代表P型和N型半导体。由于塞贝克效应，负载中有电流通过，构成温差发电。,1、热电效应,2、塞贝克效应的定义,3、塞贝克效应的原理,4、塞贝克效应的应用,5、塞贝克效应的发展,目 录 Contents,塞贝克效应（Seebeck Effect）,资料卡片, 五、塞贝克效应的发展,塞贝克效应（Seebeck Effect）,自旋塞贝克效应(SSE)、自旋依赖的塞贝克效应(SDSE)Uchida等人【Nature455 (2008) 778】首先在NiFe/Pt双层膜体系中报道了横向SSE。Kikkawa等人【Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 067207】和Qu等人【Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 067206】随后则在Au/YIG体系中报道了纵向SSE。这些研究均通过温度梯度将纯自旋流从铁磁体注入到重金属顺磁体中，再利用重金属的逆自旋霍尔效应(ISHE)而获得电压信号。,尚未解决的问题：通过SSE产生的纯自旋流，如果被注入到铁磁导体中，将会发 生什么现象？铁磁金属是否也具有逆自旋霍尔效应？如果有，其是否与磁性金属的磁化方向相关？其自旋霍尔角能有多大？,自旋塞贝克效应(SSE)下电子会重新按照自选效应进行重排，这种重排不会产生热废物。对于研发小型的高效的更加节能的微型芯片及自旋电子装置具有重大意义。,资料卡片, 五、塞贝克效应的发展,塞贝克效应（Seebeck Effect）,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室研究员韩秀峰领导的研究团队，巧妙地采取交换偏置技术成功地将上述多种相互纠缠的信号分解到不同的磁场范围内，使得铁磁体SSE信号的甄别变得非常简单而直观。结果已于近期发表在物理评论杂志上,Hao Wu, C. H. Wan, X. F. Han et al.,Observation of pure inverse spin Hall effect in ferromagnetic metals via ferromagnetic/ antiferromagnetic exchange-bias structures,Phys. Rev. B92 (2015) 054404,资料卡片, 五、塞贝克效应的发展,塞贝克效应（Seebeck Effect）,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室研究员韩秀峰领导的研究团队，该研究团队在前人【Bauer et al, Nat. Mater. 11 (2012) 391】线性响应理论的基础之上，进一步推导出反常能斯特系数的具体形式。结果已发表在物理评论杂志上,Chi Fang, C. H. Wan, X.F. Han et al., Scaling relation between anomalous Nernst and Hall effect in Pt/Con multilayers, Phys. Rev. B 93 (2016) 054420,上述工作分别表明了自旋塞贝克效应与自旋相关塞贝克效应的存在，还共同证明了在铁磁金属中存在着较大的逆自旋霍尔效应，并且还表明反常能斯特效应是自旋相关塞贝克效应与逆自旋霍尔效应在铁磁导体中叠加的这一物理本质。,！,
