清华大学马维刚教授PRL：离子热电效应的热电学框架

近日，清华大学航院张兴、马维刚教授研究团队围绕热离子热电效应的物理本质这一基础科学问题开展系统研究，相关成果以题为 “热电学框架内的离子热电效应”（Ionic thermoelectric effect within the framework of thermoelectricity） 的论文发表在物理学顶级期刊 《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

热电效应描述了热能与电能之间的相互转换，在能源转换和温度传感等领域具有重要应用价值。传统热电研究主要关注以电子为载流子的半导体、金属体系。近年来，以离子迁移为主导的离子热电材料因其高热电响应、柔性和生物相容性，在柔性传感和自供能器件等方向展现出广阔前景。然而，当前离子热电领域的研究基本集中于新材料的开发，而其热电学框架尚未得到充分考虑。

针对上述核心科学问题，该研究从热电学的基本定义出发，系统梳理并重新界定了离子体系中的塞贝克、帕尔贴和汤姆逊效应，纠正了对离子热电现象的若干普遍误解。在此基础上，研究团队聚焦于发生在异种离子热电材料界面处的离子帕尔贴效应，即由外加电流驱动的可逆电–热交换过程。通过构建典型的离子热电异质结体系，并在惰性电极条件下施加电压，研究人员在实验上直接观测到界面处显著且可逆的吸热与放热行为，即使在微小电流下，仍可产生约0.4 K的制冷效应。

图1. 离子帕尔贴效应的分子动力学模拟和实验结果。

在明确离子体系中三大热电效应物理内涵的基础上，研究团队系统检验了离子热电效应是否满足经典热电学中的基本约束关系。在电子热电体系中，塞贝克、帕尔贴和汤姆逊系数之间满足由昂萨格倒易关系推导的开尔文关系，这是判断热电过程可逆性和热力学一致性的关键依据。然而，由于离子体系中热流难以精确测量，研究团队提出了一种基于热电电动势的离子热电系数测量方法，避免了对热流的直接测量。通过多组相互独立的实验，在实验上验证了离子体系中三种热电系数在合理误差范围内满足开尔文关系，从而从实验和热力学层面共同讨论了离子热电效应与经典热电学框架的区别与联系。

图2. 离子系统的开尔文关系验证。

总体而言，本项研究在概念、实验和理论层面系统讨论了离子热电效应的物理图像，为离子热电材料的理性设计、新型热电器件的开发及相关交叉研究提供了基础。

论文的第一作者为清华大学航院2023级直博生吴翊丹，入选中国科协青年人才托举工程(博士生专项)计划，以第一作者身份在Natl Sci Rew、Phys Rev Lett和Int J Heat Mass Tran等期刊上发表研究论文5篇。

相关论文链接：

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