強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢：微觀機(jī)制、特性及應(yīng)用前景一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求持續(xù)攀升，能源問題已成為當(dāng)今世界面臨的重大挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭以及其使用帶來的環(huán)境污染問題，促使人們迫切尋找高效、清潔、可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換與利用技術(shù)。熱電材料作為一種能夠直接實(shí)現(xiàn)熱能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，在廢熱回收、溫差發(fā)電、固態(tài)制冷等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，受到了廣泛關(guān)注。熱電效應(yīng)是熱電材料實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，其中塞貝克效應(yīng)（Seebeckeffect）尤為關(guān)鍵，即當(dāng)熱電材料兩端存在溫度差時(shí)，會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生電勢差，進(jìn)而形成電流，實(shí)現(xiàn)熱能到電能的直接轉(zhuǎn)換。熱電材料的性能通常用熱電優(yōu)值（ZT）來衡量，ZT=S2σκ?1，其中S為塞貝克系數(shù)（即熱電勢率，反映單位溫度差下產(chǎn)生的熱電勢大?。覟殡妼?dǎo)率，κ為熱導(dǎo)率。ZT值越高，表明熱電材料在相同溫度差下實(shí)現(xiàn)熱能與電能轉(zhuǎn)換的效率越高。然而，目前大多數(shù)常規(guī)熱電材料的ZT值仍相對較低，限制了其大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。因此，開發(fā)高性能熱電材料成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料作為一類特殊的功能材料，由于電子之間存在強(qiáng)相互作用，展現(xiàn)出豐富而奇特的物理性質(zhì)，如高溫超導(dǎo)、巨磁阻效應(yīng)、金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變等。這些獨(dú)特性質(zhì)使得強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)，也為熱電材料的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中，電子的行為不能簡單地用傳統(tǒng)的獨(dú)立電子模型來描述，電子之間的庫侖相互作用、自旋-軌道耦合等因素會(huì)顯著影響電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和輸運(yùn)性質(zhì)。這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性可能導(dǎo)致材料的熱電勢產(chǎn)生不同于常規(guī)材料的變化規(guī)律，為調(diào)控?zé)犭娦阅芴峁┝诵碌耐緩健?qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的研究，不僅有助于深入理解這類材料中復(fù)雜的電子相互作用機(jī)制，還可能為提高熱電材料的性能開辟新的方向。通過探索強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中熱電勢與電子結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)等因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以為設(shè)計(jì)和開發(fā)新型高性能熱電材料提供理論指導(dǎo)。此外，強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料在極端條件下（如高溫、高壓、強(qiáng)磁場等）可能展現(xiàn)出更為獨(dú)特的熱電性質(zhì)，這對于拓展熱電材料的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)換與利用具有重要意義。從能源利用的角度來看，提高熱電材料的性能可以實(shí)現(xiàn)更高效的廢熱回收，將大量原本被浪費(fèi)的熱能轉(zhuǎn)化為電能，從而提高能源利用率，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，緩解能源危機(jī)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多高溫設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱，若能利用高性能熱電材料將這些廢熱回收并轉(zhuǎn)化為電能，不僅可以降低能源消耗，還能減少廢熱排放對環(huán)境的熱污染。在固態(tài)制冷領(lǐng)域，熱電材料可實(shí)現(xiàn)無制冷劑的綠色制冷，避免了傳統(tǒng)制冷技術(shù)中制冷劑對臭氧層的破壞和溫室氣體排放問題，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。從凝聚態(tài)物理學(xué)科發(fā)展的角度而言，強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的研究有助于推動(dòng)凝聚態(tài)物理理論的發(fā)展，深化人們對強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中電子行為和量子現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。目前，對于強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的理論描述仍存在諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的理論模型難以準(zhǔn)確解釋其中一些復(fù)雜的物理現(xiàn)象。通過對強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的研究，可以為理論研究提供更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和物理圖像，促進(jìn)新理論模型的建立和完善，推動(dòng)凝聚態(tài)物理學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。1.2強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料概述1.2.1定義與基本特征強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料是指電子之間存在強(qiáng)相互作用，導(dǎo)致其行為不能簡單地用傳統(tǒng)的獨(dú)立電子模型來描述的一類材料。在這類材料中，電子間的庫侖相互作用、自旋-軌道耦合等因素對電子的運(yùn)動(dòng)和材料的物理性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。與傳統(tǒng)材料中電子被近似看作獨(dú)立粒子在周期性勢場中運(yùn)動(dòng)不同，強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中電子之間的相互作用能量與電子的動(dòng)能相當(dāng)甚至更強(qiáng)，使得電子的行為表現(xiàn)出強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)性和集體性。電子間的強(qiáng)相互作用會(huì)引發(fā)一系列獨(dú)特的物理現(xiàn)象。例如，在某些強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，會(huì)出現(xiàn)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，這一轉(zhuǎn)變無法用傳統(tǒng)的能帶理論來解釋。傳統(tǒng)能帶理論認(rèn)為，材料的導(dǎo)電性取決于能帶結(jié)構(gòu)中是否存在未被填滿的導(dǎo)帶，而在強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中，即使從能帶結(jié)構(gòu)上看材料應(yīng)表現(xiàn)為金屬，但由于電子之間的強(qiáng)庫侖排斥作用，電子難以在晶格中自由移動(dòng)，從而呈現(xiàn)出絕緣體的性質(zhì)，這種絕緣體被稱為莫特絕緣體（Mottinsulator），是強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的典型代表之一。強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料通常還具有復(fù)雜的磁性行為。電子的自旋自由度在強(qiáng)相互作用下會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，導(dǎo)致材料出現(xiàn)各種磁性有序態(tài)，如鐵磁性、反鐵磁性等。自旋-軌道耦合也會(huì)使電子的自旋和軌道角動(dòng)量相互作用，進(jìn)一步豐富了材料的磁性和電子結(jié)構(gòu)特性。在一些過渡金屬氧化物中，由于強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，電子的自旋排列呈現(xiàn)出復(fù)雜的模式，形成了獨(dú)特的磁結(jié)構(gòu)，這些磁結(jié)構(gòu)不僅與材料的磁性相關(guān)，還對其電學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。電荷序和自旋序也是強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的重要特征。電子在晶格中會(huì)自發(fā)地形成周期性的電荷密度波（電荷序）和自旋密度波（自旋序），這些有序結(jié)構(gòu)的形成與電子間的相互作用以及晶格的周期性密切相關(guān)。電荷序和自旋序的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致材料的物理性質(zhì)發(fā)生顯著變化，如電阻、磁化率等會(huì)隨溫度、外加磁場等條件的變化而出現(xiàn)異常的變化規(guī)律。在一些強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電荷序，此時(shí)材料的電阻會(huì)突然發(fā)生變化，并且在特定方向上表現(xiàn)出各向異性的電學(xué)性質(zhì)。常見的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料包括過渡金屬氧化物（如銅氧化物高溫超導(dǎo)體、錳氧化物等）、重費(fèi)米子體系（如CeCu?Si?等）、有機(jī)導(dǎo)體（如(TMTSF)?X系列等）等。這些材料在不同的領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值，如高溫超導(dǎo)體在超導(dǎo)輸電、磁共振成像等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，重費(fèi)米子體系在研究量子相變和低溫物理等方面具有重要意義。1.2.2常見強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料類型莫特絕緣體：莫特絕緣體是強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的重要類型之一。其基本特征是，從能帶結(jié)構(gòu)角度看，似乎應(yīng)該是導(dǎo)體，但實(shí)際上卻是絕緣體。這是由于電子間存在較強(qiáng)的庫侖相互作用，產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)能隙，抑制了電子的導(dǎo)電行為。以NiO為例，按照傳統(tǒng)能帶理論，其能帶結(jié)構(gòu)顯示它應(yīng)具有一定的導(dǎo)電性，但由于Ni的3d電子之間的強(qiáng)庫侖排斥作用，使得電子難以在晶格中自由移動(dòng)，從而呈現(xiàn)出絕緣特性。莫特絕緣體中電子的局域化程度較高，電子的運(yùn)動(dòng)受到周圍原子和其他電子的強(qiáng)烈束縛。這類材料在催化、傳感器等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，其特殊的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)可能使其對某些化學(xué)反應(yīng)具有獨(dú)特的催化活性。在一些氣體傳感器中，莫特絕緣體可以利用其對特定氣體分子的吸附和電子結(jié)構(gòu)變化來實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的檢測。重費(fèi)米子體系：重費(fèi)米子體系的顯著特點(diǎn)是其中的傳導(dǎo)電子具有異常大的有效質(zhì)量。在這類材料中，局域磁矩與傳導(dǎo)電子之間存在復(fù)雜的相互作用，如RKKY相互作用（局域磁矩之間通過極化的傳導(dǎo)電子云而發(fā)生的間接交換相互作用）和Kondo相互作用（局域磁矩與周圍傳導(dǎo)電子的直接交換相互作用）。這些相互作用在低溫下相互競爭，導(dǎo)致重費(fèi)米子體系具有多種基態(tài)，如磁有序態(tài)、超導(dǎo)態(tài)、費(fèi)米液體態(tài)和非費(fèi)米液體基態(tài)等。典型的重費(fèi)米子材料如CeCu?Si?，在低溫下，其電子的有效質(zhì)量可以達(dá)到自由電子質(zhì)量的數(shù)百倍甚至更高。重費(fèi)米子體系的超導(dǎo)特性也備受關(guān)注，研究其超導(dǎo)機(jī)制有助于深入理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中的超導(dǎo)現(xiàn)象。由于其獨(dú)特的物理性質(zhì)，重費(fèi)米子體系在低溫物理研究、量子計(jì)算等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在量子計(jì)算中，重費(fèi)米子體系的量子特性可能為量子比特的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供新的思路。高溫超導(dǎo)體：高溫超導(dǎo)體是強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中極具研究價(jià)值的一類。其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）相對較高，突破了傳統(tǒng)超導(dǎo)理論（BCS理論）所預(yù)言的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度極限。高溫超導(dǎo)體主要包括銅氧化物高溫超導(dǎo)體和鐵基高溫超導(dǎo)體。銅氧化物高溫超導(dǎo)體具有層狀結(jié)構(gòu)，其超導(dǎo)特性與CuO?平面密切相關(guān)。在這類材料中，電子之間存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，超導(dǎo)配對機(jī)制較為復(fù)雜，至今尚未完全明確。以Bi?Sr?CaCu?O?為例，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到較高的值。鐵基高溫超導(dǎo)體則是近年來發(fā)現(xiàn)的另一類重要的高溫超導(dǎo)材料，其晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)與銅氧化物有所不同，但同樣具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性。鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為高溫超導(dǎo)研究開辟了新的方向，研究其超導(dǎo)機(jī)制和物理性質(zhì)對于推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。高溫超導(dǎo)體在超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)量子干涉器件等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。在超導(dǎo)電纜中，高溫超導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)低損耗的電力傳輸，提高能源利用效率。拓?fù)浣^緣體與強(qiáng)關(guān)聯(lián)的結(jié)合：拓?fù)浣^緣體是一類具有特殊電子結(jié)構(gòu)的材料，其體相為絕緣體，而表面存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的無能隙表面態(tài)。當(dāng)拓?fù)浣^緣體與強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系相結(jié)合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多新奇的物理現(xiàn)象。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)拓?fù)浣^緣體中，電子之間的強(qiáng)相互作用會(huì)影響表面態(tài)的性質(zhì)，可能導(dǎo)致表面態(tài)的電子出現(xiàn)自旋-電荷分離、拓?fù)涑瑢?dǎo)等現(xiàn)象。一些理論研究表明，在特定的強(qiáng)關(guān)聯(lián)拓?fù)浣^緣體中，可能存在馬約拉納費(fèi)米子，這是一種具有獨(dú)特量子特性的準(zhǔn)粒子，在量子計(jì)算和量子信息領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。這種結(jié)合為探索新型量子材料和量子器件提供了新的途徑，有望在未來的量子技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。其他類型：除了上述幾種常見的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料類型外，還有一些其他具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性的材料。有機(jī)導(dǎo)體中的一些材料，如(TMTSF)?X系列，由于分子間的相互作用和電子的離域化，表現(xiàn)出強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子特性。在這類材料中，電子的運(yùn)動(dòng)受到分子結(jié)構(gòu)和分子間相互作用的影響，呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)無機(jī)材料不同的物理性質(zhì)。一些過渡金屬硫族化合物也可能具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，其電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)受到硫族元素與過渡金屬之間的化學(xué)鍵以及電子相互作用的影響。這些材料在電學(xué)、光學(xué)等方面可能展現(xiàn)出獨(dú)特的性能，為開發(fā)新型功能材料提供了可能。在光電探測器中，某些過渡金屬硫族化合物的強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性可能使其對特定波長的光具有高靈敏度的響應(yīng)。1.3熱電勢基本原理1.3.1熱電效應(yīng)與熱電勢的產(chǎn)生熱電效應(yīng)是指材料在溫度梯度作用下產(chǎn)生電勢差，或在電場作用下產(chǎn)生溫度差的現(xiàn)象。這一效應(yīng)是熱電材料實(shí)現(xiàn)熱能與電能相互轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，主要包括塞貝克效應(yīng)、帕爾帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)。其中，塞貝克效應(yīng)與熱電勢的產(chǎn)生直接相關(guān)。塞貝克效應(yīng)是1821年由德國物理學(xué)家托馬斯?約翰?塞貝克（ThomasJohannSeebeck）發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)閉合回路，且兩端存在溫度差（ΔT=T1-T2，T1>T2）時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種由于溫度差而產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象就是塞貝克效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差被稱為塞貝克電勢，即熱電勢。從微觀角度來看，塞貝克效應(yīng)的產(chǎn)生源于載流子在溫度梯度下的擴(kuò)散和能量分布變化。在高溫端，載流子具有較高的能量和速度，它們會(huì)向低溫端擴(kuò)散。對于金屬導(dǎo)體，主要是電子作為載流子進(jìn)行擴(kuò)散。由于不同材料的電子濃度和電子散射機(jī)制不同，電子在兩種材料的界面處會(huì)發(fā)生積累或缺失，從而形成電勢差。在半導(dǎo)體中，除了電子，空穴也可能參與載流子的擴(kuò)散過程，并且半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和載流子的有效質(zhì)量等因素會(huì)對塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生重要影響。以n型半導(dǎo)體為例，假設(shè)在溫度差的作用下，高溫端的電子向低溫端擴(kuò)散。由于電子帶負(fù)電，隨著電子在低溫端的積累，低溫端相對于高溫端會(huì)產(chǎn)生負(fù)電勢，從而形成一個(gè)阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散的電場。當(dāng)擴(kuò)散作用與電場的漂移作用達(dá)到平衡時(shí)，回路中就會(huì)形成穩(wěn)定的熱電勢。對于p型半導(dǎo)體，情況則相反，空穴在溫度梯度下從高溫端向低溫端擴(kuò)散，導(dǎo)致低溫端相對于高溫端產(chǎn)生正電勢。熱電勢的大小與材料的性質(zhì)以及溫度差密切相關(guān)。通常用塞貝克系數(shù)S來描述材料產(chǎn)生熱電勢的能力，其定義為單位溫度差下產(chǎn)生的熱電勢，即S=dV/dT，單位為μV/K。塞貝克系數(shù)是衡量熱電材料性能的重要參數(shù)之一，不同材料具有不同的塞貝克系數(shù)，且塞貝克系數(shù)還會(huì)隨溫度、材料的摻雜濃度等因素的變化而變化。一般來說，半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)比金屬材料大，這使得半導(dǎo)體在熱電應(yīng)用中具有更大的優(yōu)勢。在一些傳統(tǒng)的熱電半導(dǎo)體材料如碲化鉍（Bi2Te3）中，通過合理的摻雜和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，可以在一定溫度范圍內(nèi)獲得較高的塞貝克系數(shù)，從而提高熱電轉(zhuǎn)換效率。塞貝克效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義，其中溫差發(fā)電和溫度測量是兩個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域。在溫差發(fā)電中，利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。例如，在一些工業(yè)廢熱回收系統(tǒng)中，將熱電材料制成的熱電模塊安裝在高溫?zé)嵩春偷蜏乩湓粗g，廢熱產(chǎn)生的溫度差使熱電模塊產(chǎn)生熱電勢，進(jìn)而輸出電能。這種方式可以有效地將廢熱轉(zhuǎn)化為有用的電能，提高能源利用率。在汽車尾氣余熱回收系統(tǒng)中，熱電材料可以將尾氣的熱量轉(zhuǎn)化為電能，為汽車的電子設(shè)備供電，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在溫度測量方面，塞貝克效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于熱電偶溫度計(jì)。熱電偶是由兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的溫度傳感器，當(dāng)熱電偶的兩端存在溫度差時(shí)，產(chǎn)生的熱電勢與溫度差之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。通過測量熱電勢的大小，并根據(jù)事先校準(zhǔn)的熱電勢-溫度關(guān)系曲線，就可以準(zhǔn)確地測量出溫度。熱電偶具有響應(yīng)速度快、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域被廣泛用于溫度的測量和控制。在鋼鐵冶煉過程中，熱電偶可以實(shí)時(shí)測量熔爐內(nèi)的溫度，為生產(chǎn)過程的控制提供重要依據(jù)。1.3.2熱電勢的影響因素?zé)犭妱莸拇笮∈艿蕉喾N因素的影響，主要包括材料本身的特性以及外部條件的變化。深入了解這些影響因素對于優(yōu)化熱電材料的性能、提高熱電轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。1.材料本身特性的影響能帶結(jié)構(gòu)：材料的能帶結(jié)構(gòu)是決定其熱電性能的關(guān)鍵因素之一。在半導(dǎo)體材料中，能帶結(jié)構(gòu)決定了載流子的分布和輸運(yùn)性質(zhì)。能帶寬度、能隙大小以及能帶的形狀等都會(huì)對熱電勢產(chǎn)生顯著影響。較小的能隙有利于載流子的激發(fā)，從而增加載流子濃度，但如果能隙過小，會(huì)導(dǎo)致本征激發(fā)過于強(qiáng)烈，使得載流子的散射增強(qiáng)，不利于熱電勢的提高。而合適的能帶結(jié)構(gòu)可以使載流子在溫度梯度下有效地傳輸，從而產(chǎn)生較大的熱電勢。在一些具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料中，如具有多谷結(jié)構(gòu)的材料，不同能谷中的載流子在溫度梯度下的輸運(yùn)行為不同，通過合理調(diào)控可以優(yōu)化熱電勢。在硅鍺（SiGe）合金中，通過調(diào)整Si和Ge的比例，可以改變能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化其熱電性能。載流子濃度：載流子濃度是影響熱電勢的重要參數(shù)。對于半導(dǎo)體材料，載流子濃度與摻雜濃度密切相關(guān)。一般來說，隨著載流子濃度的增加，電導(dǎo)率會(huì)增大，但熱電勢會(huì)減小。這是因?yàn)檩d流子濃度的增加會(huì)導(dǎo)致電子-電子散射增強(qiáng)，使得載流子的平均自由程減小，從而降低了載流子在溫度梯度下的擴(kuò)散能力，進(jìn)而減小了熱電勢。當(dāng)載流子濃度過高時(shí)，材料的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，但熱電轉(zhuǎn)換效率反而下降。然而，載流子濃度也不能過低，否則電導(dǎo)率會(huì)過低，導(dǎo)致輸出功率減小。因此，需要通過精確的摻雜控制，找到載流子濃度的最佳值，以實(shí)現(xiàn)較高的熱電勢和電導(dǎo)率的平衡。在碲化鉛（PbTe）熱電材料中，通過精確控制摻雜濃度，可以在一定溫度范圍內(nèi)獲得較高的熱電優(yōu)值，其中熱電勢與載流子濃度的優(yōu)化調(diào)控起到了關(guān)鍵作用。載流子遷移率：載流子遷移率反映了載流子在材料中移動(dòng)的難易程度。較高的載流子遷移率意味著載流子在電場或溫度梯度作用下能夠更自由地移動(dòng)，從而有利于熱電勢的提高。載流子遷移率受到材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷、雜質(zhì)散射等多種因素的影響。晶體結(jié)構(gòu)的完整性越好，晶格缺陷越少，載流子遷移率就越高。雜質(zhì)原子的存在會(huì)引起載流子的散射，降低載流子遷移率。在一些高質(zhì)量的單晶熱電材料中，由于晶體結(jié)構(gòu)完美，載流子遷移率較高，能夠產(chǎn)生較大的熱電勢。通過優(yōu)化材料的制備工藝，減少晶格缺陷和雜質(zhì)含量，可以有效提高載流子遷移率，進(jìn)而提升熱電勢。采用分子束外延（MBE）等先進(jìn)制備技術(shù)，可以制備出高質(zhì)量的薄膜熱電材料，提高載流子遷移率，改善熱電性能。電子-聲子相互作用：電子-聲子相互作用在熱電材料中起著重要作用。聲子是晶格振動(dòng)的量子化表現(xiàn)，電子與聲子之間的相互作用會(huì)影響載流子的散射和輸運(yùn)過程。適度的電子-聲子相互作用可以使載流子通過與聲子的碰撞來調(diào)整能量和動(dòng)量，有利于載流子在溫度梯度下的輸運(yùn)，從而對熱電勢產(chǎn)生積極影響。然而，如果電子-聲子相互作用過強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致載流子的散射加劇，降低載流子遷移率，進(jìn)而減小熱電勢。在一些強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，電子-聲子相互作用較為復(fù)雜，對熱電勢的影響也更為顯著。研究電子-聲子相互作用的機(jī)制，并通過材料設(shè)計(jì)和制備工藝的優(yōu)化來調(diào)控這種相互作用，對于提高熱電勢具有重要意義。通過引入特定的原子或缺陷來改變材料的晶格振動(dòng)模式，從而調(diào)控電子-聲子相互作用，是提高熱電勢的一種有效策略。2.外部條件的影響溫度差：溫度差是產(chǎn)生熱電勢的直接原因，熱電勢與溫度差成正比關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，增大溫度差可以顯著提高熱電勢。當(dāng)熱電材料兩端的溫度差增大時(shí)，載流子在溫度梯度下的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，更多的載流子參與到擴(kuò)散過程中，從而產(chǎn)生更大的熱電勢。然而，當(dāng)溫度差過大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致材料的性能發(fā)生變化，如熱導(dǎo)率增加、載流子散射加劇等，這些因素會(huì)對熱電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)材料的特性和應(yīng)用場景，合理選擇和控制溫度差，以實(shí)現(xiàn)最佳的熱電性能。在一些高溫?zé)犭姂?yīng)用中，需要考慮材料在高溫下的穩(wěn)定性和性能變化，通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和選擇合適的散熱方式，在較大溫度差下保持較高的熱電勢和熱電轉(zhuǎn)換效率。磁場：磁場對熱電勢的影響較為復(fù)雜，通常會(huì)通過多種機(jī)制來改變熱電性能。在磁場作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這會(huì)導(dǎo)致載流子的散射增強(qiáng)或減弱，從而影響熱電勢。磁場還可能引起材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響載流子的分布和輸運(yùn)。在一些具有磁性的熱電材料中，磁場與材料的磁性相互作用，會(huì)產(chǎn)生額外的磁熱電效應(yīng)，進(jìn)一步影響熱電勢。在某些鐵磁性熱電材料中，磁場的變化會(huì)導(dǎo)致材料的磁結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而對熱電勢產(chǎn)生顯著影響。研究磁場對熱電勢的影響機(jī)制，對于開發(fā)新型的磁控?zé)犭姴牧虾屯卣篃犭姴牧系膽?yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。通過在磁場環(huán)境下對熱電材料進(jìn)行性能測試和研究，可以深入了解磁場與熱電勢之間的關(guān)系，為材料的優(yōu)化和應(yīng)用提供理論支持。1.4研究現(xiàn)狀與趨勢1.4.1研究現(xiàn)狀近年來，強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的研究取得了顯著進(jìn)展。在理論研究方面，科研人員采用多種先進(jìn)的理論方法對強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的熱電勢進(jìn)行深入探討。基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算被廣泛應(yīng)用于研究材料的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)。通過第一性原理計(jì)算，可以精確地計(jì)算出材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等信息，進(jìn)而分析熱電勢與電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。對一些過渡金屬氧化物，利用第一性原理計(jì)算揭示了其電子結(jié)構(gòu)中存在的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，以及這種效應(yīng)如何影響熱電勢的大小和溫度依賴關(guān)系。多體理論在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢研究中也發(fā)揮著重要作用。動(dòng)態(tài)平均場理論（DMFT）能夠有效地處理電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，通過將多體問題映射到單雜質(zhì)安德森模型上，再利用量子蒙特卡羅等方法求解，從而得到材料的熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)。在研究重費(fèi)米子體系的熱電勢時(shí)，DMFT成功地解釋了一些實(shí)驗(yàn)中觀察到的異?，F(xiàn)象，如熱電勢在低溫下的非費(fèi)米液體行為等。在實(shí)驗(yàn)研究方面，各種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)為深入探究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電勢提供了有力手段。掃描隧道顯微鏡（STM）和角分辨光電子能譜（ARPES）等技術(shù)能夠直接探測材料的電子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)分布。通過STM可以觀察到材料表面原子尺度上的電子態(tài)變化，ARPES則可以測量材料的能帶結(jié)構(gòu)和電子的動(dòng)量分布，這些信息對于理解熱電勢的微觀機(jī)制至關(guān)重要。利用ARPES對高溫超導(dǎo)體的研究，發(fā)現(xiàn)了其電子結(jié)構(gòu)中存在的贗能隙等特征，這些特征與熱電勢的變化密切相關(guān)。熱輸運(yùn)測量技術(shù)的發(fā)展也為研究熱電勢提供了更多維度的信息。通過測量材料的熱導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)等熱電輸運(yùn)參數(shù)，科研人員可以深入了解載流子的輸運(yùn)行為和電子-聲子相互作用對熱電勢的影響。在一些新型強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，熱輸運(yùn)測量揭示了其獨(dú)特的熱傳導(dǎo)機(jī)制和熱電勢調(diào)控規(guī)律。對某些拓?fù)浣^緣體與強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料復(fù)合體系的熱輸運(yùn)研究，發(fā)現(xiàn)了表面態(tài)對熱電勢的重要貢獻(xiàn)以及拓?fù)浔Ｗo(hù)對熱電輸運(yùn)的影響。在材料體系方面，眾多強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電勢研究取得了重要成果。在過渡金屬氧化物中，對銅氧化物和錳氧化物的熱電勢研究較為深入。銅氧化物高溫超導(dǎo)體在正常態(tài)下展現(xiàn)出與傳統(tǒng)金屬和半導(dǎo)體不同的熱電性質(zhì)，其熱電勢的溫度依賴關(guān)系呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律，這與體系中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)、贗能隙等因素密切相關(guān)。錳氧化物由于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和電子-電子、電子-晶格相互作用，表現(xiàn)出豐富的磁熱電效應(yīng)，熱電勢與磁場、溫度以及摻雜濃度之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。重費(fèi)米子體系的熱電勢研究也備受關(guān)注。這類材料中傳導(dǎo)電子的有效質(zhì)量很大，電子之間的相互作用導(dǎo)致其熱電性質(zhì)表現(xiàn)出與常規(guī)材料截然不同的特征。在低溫下，重費(fèi)米子體系的熱電勢往往呈現(xiàn)出非費(fèi)米液體行為，其大小和溫度依賴關(guān)系受到局域磁矩與傳導(dǎo)電子之間相互作用的強(qiáng)烈影響。通過對重費(fèi)米子材料CeCu?Si?的研究，發(fā)現(xiàn)其熱電勢在低溫下出現(xiàn)異常變化，這與體系中Kondo效應(yīng)和RKKY相互作用的競爭有關(guān)。有機(jī)導(dǎo)體作為強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的一類，也展現(xiàn)出獨(dú)特的熱電性質(zhì)。一些有機(jī)導(dǎo)體中的分子間相互作用和電子離域化導(dǎo)致其熱電勢具有與無機(jī)材料不同的特點(diǎn)。在(TMTSF)?X系列有機(jī)導(dǎo)體中，通過改變分子結(jié)構(gòu)和摻雜情況，可以調(diào)控?zé)犭妱莸拇笮『头较?，這為開發(fā)新型有機(jī)熱電材料提供了新的思路。1.4.2存在的問題與挑戰(zhàn)盡管強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的研究取得了一定進(jìn)展，但目前仍面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。在理論研究方面，雖然現(xiàn)有的理論方法能夠?qū)σ恍?qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的熱電勢進(jìn)行定性和定量分析，但仍存在局限性。密度泛函理論在處理強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)時(shí)存在一定的近似性，對于一些電子關(guān)聯(lián)很強(qiáng)的體系，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值存在偏差。動(dòng)態(tài)平均場理論雖然能夠較好地處理電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)問題，但計(jì)算過程較為復(fù)雜，且在處理一些復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)和多軌道體系時(shí)存在困難。此外，目前的理論模型往往難以全面考慮材料中的各種相互作用，如電子-聲子、電子-電子以及自旋-軌道耦合等相互作用之間的協(xié)同效應(yīng)，這限制了對熱電勢微觀機(jī)制的深入理解。在實(shí)驗(yàn)研究方面，精確測量強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電勢以及相關(guān)輸運(yùn)參數(shù)面臨挑戰(zhàn)。強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的性質(zhì)往往對樣品質(zhì)量、制備工藝和測量條件非常敏感，微小的差異可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯著不同。一些高溫超導(dǎo)體的熱電勢測量需要在極低溫和強(qiáng)磁場等極端條件下進(jìn)行，這對實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)要求極高，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和可靠性有時(shí)難以保證。此外，目前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)在探測材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)變化方面仍存在局限性，難以直接觀察到電子之間的相互作用以及這些相互作用對熱電勢的影響過程。在材料性能優(yōu)化方面，如何提高強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電性能仍然是一個(gè)難題。雖然通過摻雜、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控等手段可以在一定程度上改善材料的熱電勢和其他熱電性能參數(shù)，但往往會(huì)引入新的問題。摻雜可能會(huì)導(dǎo)致晶格畸變和雜質(zhì)散射增強(qiáng)，從而降低載流子遷移率，影響熱電性能的綜合提升。同時(shí)，對于不同類型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料，缺乏通用的性能優(yōu)化策略，需要針對每種材料的特點(diǎn)進(jìn)行深入研究和探索。在實(shí)際應(yīng)用方面，強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的制備成本較高，制備工藝復(fù)雜，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。許多強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料需要在高溫、高壓、高真空等特殊條件下制備，且制備過程中對原料純度和工藝參數(shù)的控制要求嚴(yán)格，這增加了材料的制備難度和成本。此外，強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料與其他材料的兼容性問題也需要解決，以實(shí)現(xiàn)其在實(shí)際器件中的集成和應(yīng)用。在將強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料應(yīng)用于溫差發(fā)電器件時(shí)，需要考慮其與電極材料的界面兼容性和穩(wěn)定性，以及在長期工作過程中的性能衰退問題。1.4.3未來研究方向與趨勢展望未來，強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的研究將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。在理論研究方面，需要進(jìn)一步發(fā)展和完善能夠準(zhǔn)確描述強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的理論模型。結(jié)合不同的理論方法，如將密度泛函理論與多體理論相結(jié)合，開發(fā)更加精確的計(jì)算方法，以提高對熱電勢的理論預(yù)測能力。深入研究電子之間各種相互作用的協(xié)同效應(yīng)，建立更加全面的理論框架，解釋強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中復(fù)雜的熱電現(xiàn)象。探索機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢研究中的應(yīng)用，通過對大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)果的學(xué)習(xí)，建立熱電勢與材料結(jié)構(gòu)、成分等因素之間的關(guān)系模型，為材料設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)研究方面，將不斷發(fā)展和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提高對強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢及相關(guān)物理量的測量精度和分辨率。開發(fā)新型的原位測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在材料制備過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測熱電勢的變化，深入研究材料微觀結(jié)構(gòu)與熱電性質(zhì)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。利用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的聯(lián)用，如將掃描隧道顯微鏡與拉曼光譜、光電子能譜等技術(shù)相結(jié)合，從多個(gè)角度獲取材料的微觀信息，全面深入地理解熱電勢的微觀機(jī)制。在材料研究方面，將繼續(xù)探索新型強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料體系，尋找具有更高熱電性能的材料。通過材料設(shè)計(jì)和合成，引入新的元素、結(jié)構(gòu)或相互作用，調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)。研究不同類型強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的復(fù)合體系，利用不同材料之間的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)熱電性能的優(yōu)化。探索拓?fù)浣^緣體、二維材料等新型材料與強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的結(jié)合，開發(fā)具有獨(dú)特?zé)犭娦再|(zhì)的新型材料。在應(yīng)用研究方面，將致力于降低強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的制備成本，簡化制備工藝，推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用。研究材料的大規(guī)模制備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用工藝，提高材料的制備效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。解決強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料在實(shí)際應(yīng)用中的兼容性和穩(wěn)定性問題，開發(fā)高性能的熱電轉(zhuǎn)換器件。探索強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料在新能源、電子信息、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，拓展其應(yīng)用范圍。在新能源領(lǐng)域，利用強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的高效熱電轉(zhuǎn)換性能，開發(fā)新型的溫差發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)廢熱回收和清潔能源的高效利用；在電子信息領(lǐng)域，將強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料應(yīng)用于傳感器、熱管理等方面，提高電子器件的性能和可靠性；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，探索強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料在生物傳感器、熱療等方面的應(yīng)用，為生物醫(yī)學(xué)研究和臨床治療提供新的手段。強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的研究具有廣闊的前景和重要的科學(xué)意義，通過不斷克服當(dāng)前面臨的問題和挑戰(zhàn)，有望在理論、材料和應(yīng)用等方面取得更大的突破，為能源轉(zhuǎn)換與利用、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。二、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的微觀機(jī)制2.1電子關(guān)聯(lián)對熱電勢的影響2.1.1電子-電子相互作用的理論基礎(chǔ)在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中，電子-電子相互作用起著核心作用，深刻影響著材料的物理性質(zhì)，其中熱電勢便是受其顯著影響的重要性質(zhì)之一。電子之間的相互作用主要源于庫侖力，這種庫侖相互作用使得電子的行為不再能簡單地用傳統(tǒng)的獨(dú)立電子模型來描述。在傳統(tǒng)的金屬自由電子氣模型中，電子被視為獨(dú)立的粒子，在晶格的周期性勢場中自由運(yùn)動(dòng)，忽略了電子之間的相互作用。然而，在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，電子間的庫侖相互作用能量與電子的動(dòng)能相當(dāng)甚至更強(qiáng)，使得電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生了根本性的改變。為了描述強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中電子-電子相互作用，哈伯德模型（Hubbardmodel）應(yīng)運(yùn)而生。哈伯德模型由物理學(xué)家約翰?哈伯德（JohnHubbard）于1963年提出，是凝聚態(tài)物理中描述關(guān)聯(lián)電子體系的重要理論模型。該模型的哈密頓量表達(dá)式為：H=-t\sum_{i,j,\sigma}(c_{i\sigma}^{\dagger}c_{j\sigma}+c_{j\sigma}^{\dagger}c_{i\sigma})+U\sum_{i}n_{i\uparrow}n_{i\downarrow}其中，i和j表示晶格上的格點(diǎn)，\sigma代表電子的自旋（\sigma=\uparrow,\downarrow），t為電子的躍遷積分，表示電子在相鄰格點(diǎn)之間的跳躍能力，反映了電子的動(dòng)能；c_{i\sigma}^{\dagger}和c_{i\sigma}分別是格點(diǎn)i上自旋為\sigma的電子產(chǎn)生算符和湮滅算符；U為在位庫侖相互作用能，即當(dāng)兩個(gè)電子占據(jù)同一格點(diǎn)時(shí)的庫侖排斥能；n_{i\sigma}=c_{i\sigma}^{\dagger}c_{i\sigma}表示格點(diǎn)i上自旋為\sigma的電子數(shù)。哈伯德模型的核心思想是考慮了電子在晶格上的跳躍（動(dòng)能部分）以及電子間的庫侖相互作用（勢能部分）。在這個(gè)模型中，t和U的相對大小決定了體系的性質(zhì)。當(dāng)U=0時(shí)，模型退化為近自由電子模型，電子可以在晶格中自由移動(dòng)，體系表現(xiàn)出金屬性；當(dāng)U很大且遠(yuǎn)大于t時(shí)，電子之間的庫侖排斥作用占據(jù)主導(dǎo)，電子難以占據(jù)同一格點(diǎn)，體系趨向于形成絕緣狀態(tài)，即莫特絕緣體。例如，在一些過渡金屬氧化物中，如NiO，Ni的3d電子之間存在較強(qiáng)的庫侖相互作用，U較大，使得材料表現(xiàn)為莫特絕緣體，盡管從能帶結(jié)構(gòu)上看它似乎應(yīng)該是導(dǎo)體。哈伯德模型在解釋強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中的各種現(xiàn)象方面發(fā)揮了重要作用。它能夠描述金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變、磁性、超導(dǎo)性等復(fù)雜物理現(xiàn)象。在解釋磁性方面，當(dāng)體系中存在電子-電子相互作用時(shí)，電子的自旋會(huì)發(fā)生關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致磁有序態(tài)的形成。在高溫超導(dǎo)體的研究中，哈伯德模型被廣泛用于探討超導(dǎo)機(jī)制，認(rèn)為電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)在超導(dǎo)配對過程中起到了關(guān)鍵作用。通過對哈伯德模型的研究，科學(xué)家們可以深入理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中電子的行為和相互作用機(jī)制，為研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電勢等物理性質(zhì)提供了重要的理論基礎(chǔ)。除了哈伯德模型，還有其他一些理論模型和方法用于研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中的電子-電子相互作用，如動(dòng)態(tài)平均場理論（DMFT）、量子蒙特卡羅方法（QMC）等。動(dòng)態(tài)平均場理論將多體問題映射到單雜質(zhì)安德森模型上，通過求解單雜質(zhì)模型來獲得多體系統(tǒng)的性質(zhì)，能夠有效地處理電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)。量子蒙特卡羅方法則是一種基于統(tǒng)計(jì)物理原理的數(shù)值計(jì)算方法，通過對大量量子態(tài)的抽樣和統(tǒng)計(jì)平均，來計(jì)算多體系統(tǒng)的物理量，在研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的基態(tài)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)方面具有重要應(yīng)用。這些理論模型和方法相互補(bǔ)充，為深入研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中的電子-電子相互作用提供了有力的工具。2.1.2電子關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的熱電勢異常在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，電子關(guān)聯(lián)的存在使得熱電勢表現(xiàn)出與傳統(tǒng)理論預(yù)測截然不同的特性，出現(xiàn)了一系列熱電勢異?，F(xiàn)象。傳統(tǒng)的熱電理論主要基于獨(dú)立電子近似，認(rèn)為電子在材料中獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，不考慮電子之間的相互作用。然而，在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中，電子-電子相互作用顯著影響電子的輸運(yùn)行為，從而導(dǎo)致熱電勢偏離傳統(tǒng)理論的預(yù)測。以銅氧化物高溫超導(dǎo)體為例，這類材料在正常態(tài)下展現(xiàn)出復(fù)雜的熱電性質(zhì)。從傳統(tǒng)理論角度來看，隨著溫度升高，載流子的散射增強(qiáng)，熱電勢應(yīng)呈現(xiàn)出與溫度成線性關(guān)系或遵循特定的溫度依賴規(guī)律。但在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中，實(shí)驗(yàn)觀測到的熱電勢溫度依賴關(guān)系呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化。在高溫區(qū)，熱電勢隨溫度升高的變化趨勢與傳統(tǒng)理論預(yù)測有明顯差異，并且在某些溫度范圍內(nèi)，熱電勢出現(xiàn)了異常的峰值或谷值。研究表明，這是由于電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致電子的有效質(zhì)量增加，電子的散射機(jī)制發(fā)生改變。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中，電子之間的庫侖相互作用使得電子形成了復(fù)雜的多體關(guān)聯(lián)態(tài)，這些關(guān)聯(lián)態(tài)的存在影響了電子在溫度梯度下的輸運(yùn)，導(dǎo)致熱電勢出現(xiàn)異常。重費(fèi)米子體系也是研究電子關(guān)聯(lián)導(dǎo)致熱電勢異常的典型材料體系。在重費(fèi)米子體系中，傳導(dǎo)電子與局域磁矩之間存在強(qiáng)相互作用，使得傳導(dǎo)電子具有異常大的有效質(zhì)量。這種強(qiáng)相互作用導(dǎo)致重費(fèi)米子體系的熱電勢在低溫下表現(xiàn)出非費(fèi)米液體行為。在傳統(tǒng)的費(fèi)米液體理論中，熱電勢在低溫下應(yīng)與溫度成線性關(guān)系，且斜率為常數(shù)。但在重費(fèi)米子材料如CeCua??Sia??中，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱電勢在低溫下與溫度的關(guān)系偏離線性，呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的變化規(guī)律。這是因?yàn)樵诘蜏叵?，局域磁矩與傳導(dǎo)電子之間的相互作用，如Kondo效應(yīng)和RKKY相互作用，相互競爭且對電子的輸運(yùn)產(chǎn)生了復(fù)雜的影響。Kondo效應(yīng)導(dǎo)致電子的散射增強(qiáng)，而RKKY相互作用則會(huì)影響電子的自旋排列和磁有序狀態(tài)，這些因素共同作用使得熱電勢出現(xiàn)異常。一些過渡金屬氧化物中的錳氧化物也表現(xiàn)出獨(dú)特的熱電勢異?，F(xiàn)象。錳氧化物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和電子-電子、電子-晶格相互作用。在這類材料中，熱電勢不僅與溫度有關(guān)，還與磁場、摻雜濃度等因素密切相關(guān)。當(dāng)施加磁場時(shí)，由于電子的自旋與磁場的相互作用以及電子-電子相互作用的改變，熱電勢會(huì)發(fā)生顯著變化。摻雜也會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)和電子關(guān)聯(lián)程度，進(jìn)而影響熱電勢。在La_{1-x}Ca_{x}MnO_{3}體系中，隨著Ca摻雜濃度x的變化，熱電勢呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化趨勢，在某些摻雜濃度下，熱電勢會(huì)出現(xiàn)突變或異常的溫度依賴關(guān)系。這是因?yàn)閾诫s會(huì)引入額外的載流子，改變電子之間的相互作用和電子的分布狀態(tài)，從而導(dǎo)致熱電勢的異常。對這些強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢異常現(xiàn)象的研究，有助于深入理解電子關(guān)聯(lián)對熱電勢的影響機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)測量和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，科學(xué)家們試圖揭示電子關(guān)聯(lián)與熱電勢之間的內(nèi)在聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)上，利用高精度的熱電輸運(yùn)測量技術(shù)，精確測量熱電勢隨溫度、磁場、摻雜濃度等因素的變化。結(jié)合先進(jìn)的材料表征技術(shù)，如掃描隧道顯微鏡（STM）、角分辨光電子能譜（ARPES）等，深入研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)變化。在理論方面，采用多種理論模型和計(jì)算方法，如哈伯德模型、動(dòng)態(tài)平均場理論等，對強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的熱電勢進(jìn)行模擬和分析。通過這些研究，有望建立起更加完善的理論框架，解釋強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中熱電勢異?，F(xiàn)象，為進(jìn)一步優(yōu)化強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電性能提供理論指導(dǎo)。二、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的微觀機(jī)制2.2晶體結(jié)構(gòu)與熱電勢的關(guān)系2.2.1晶體結(jié)構(gòu)對電子輸運(yùn)的影響晶體結(jié)構(gòu)是決定材料電子輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，它通過多種方式對電子的運(yùn)動(dòng)和散射產(chǎn)生影響，進(jìn)而與熱電勢密切相關(guān)。晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對稱性為電子的運(yùn)動(dòng)提供了基本框架。在理想的完整晶體中，電子在晶格的周期性勢場中運(yùn)動(dòng)，其能量是量子化的，形成一系列的能帶。根據(jù)布洛赫定理，電子的波函數(shù)可以表示為布洛赫波，其形式為\psi_{n\vec{k}}(\vec{r})=e^{i\vec{k}\cdot\vec{r}}u_{n\vec{k}}(\vec{r})，其中n表示能帶指標(biāo)，\vec{k}是波矢，u_{n\vec{k}}(\vec{r})是與晶格周期相同的周期函數(shù)。這意味著電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)具有一定的規(guī)律性，其能量E_{n}(\vec{k})與波矢\vec{k}之間存在特定的關(guān)系，即能帶結(jié)構(gòu)。不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的晶格常數(shù)、原子排列方式和對稱性，這些因素直接決定了能帶結(jié)構(gòu)的特征。簡單立方、體心立方和面心立方等常見晶體結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)存在明顯差異。在簡單立方結(jié)構(gòu)中，由于原子排列相對較為稀疏，能帶較窄，電子的有效質(zhì)量較大，這使得電子的運(yùn)動(dòng)相對困難，電導(dǎo)率較低。而面心立方結(jié)構(gòu)中原子排列更為緊密，能帶較寬，電子的有效質(zhì)量較小，電子在其中能夠更自由地移動(dòng)，電導(dǎo)率相對較高。晶體結(jié)構(gòu)中的晶格振動(dòng)對電子輸運(yùn)也有著重要影響。晶格振動(dòng)以聲子的形式存在，電子與聲子之間會(huì)發(fā)生相互作用。當(dāng)電子在晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子發(fā)生碰撞，這種碰撞會(huì)改變電子的動(dòng)量和能量，從而導(dǎo)致電子散射。在高溫下，晶格振動(dòng)加劇，聲子數(shù)量增多，電子-聲子散射增強(qiáng)，這會(huì)顯著降低電子的遷移率，進(jìn)而影響熱電勢。當(dāng)溫度升高時(shí)，聲子的平均自由程減小，電子與聲子碰撞的概率增加，電子的散射幾率增大，使得電子在輸運(yùn)過程中的能量損失增加，導(dǎo)致熱電勢發(fā)生變化。晶體缺陷也是影響電子輸運(yùn)的重要因素。晶體中常見的缺陷包括空位、間隙原子、位錯(cuò)和晶界等。這些缺陷會(huì)破壞晶體結(jié)構(gòu)的周期性，在晶體中引入額外的散射中心，從而影響電子的運(yùn)動(dòng)。空位是晶體中原子缺失的位置，電子在經(jīng)過空位時(shí)，由于周圍原子勢場的變化，會(huì)發(fā)生散射。間隙原子是位于晶格間隙位置的原子，它們會(huì)對電子產(chǎn)生額外的散射作用。位錯(cuò)是晶體中的線缺陷，其周圍的原子排列不規(guī)則，會(huì)導(dǎo)致電子散射增強(qiáng)。晶界是不同晶粒之間的界面，晶界處原子排列混亂，存在大量的懸掛鍵和缺陷，電子在穿越晶界時(shí)會(huì)受到強(qiáng)烈的散射，晶界對電子輸運(yùn)的阻礙作用在多晶材料中尤為明顯。在多晶熱電材料中，晶界會(huì)顯著降低電子的遷移率，影響熱電勢的大小和材料的熱電性能。晶體結(jié)構(gòu)的各向異性也會(huì)導(dǎo)致電子輸運(yùn)性質(zhì)的各向異性，進(jìn)而影響熱電勢的各向異性。在一些具有層狀或鏈狀結(jié)構(gòu)的晶體中，電子在不同方向上的運(yùn)動(dòng)受到的束縛和散射情況不同。在層狀結(jié)構(gòu)的材料中，電子在層內(nèi)的運(yùn)動(dòng)相對較為自由，而在層間的運(yùn)動(dòng)則受到較大的阻礙。這種各向異性使得材料在不同方向上的電導(dǎo)率和熱電勢存在差異。在石墨中，由于其層狀結(jié)構(gòu)，電子在層內(nèi)的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于層間，熱電勢也表現(xiàn)出明顯的各向異性。2.2.2典型強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的晶體結(jié)構(gòu)與熱電勢鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物是典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料，其晶體結(jié)構(gòu)對熱電勢有著顯著的影響。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的通式為ABO_{3}，其中A位通常為稀土元素或堿土金屬元素，B位為過渡金屬元素（如錳），氧原子位于八面體的頂點(diǎn)，B位原子位于八面體中心，A位原子位于八面體構(gòu)成的空隙中。這種結(jié)構(gòu)具有高度的對稱性和特定的原子排列方式，對電子的行為和熱電性質(zhì)產(chǎn)生重要作用。在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物中，Mn-O鍵的特性對電子輸運(yùn)和熱電勢影響顯著。Mn原子的3d電子與O原子的2p電子之間存在較強(qiáng)的相互作用，形成了Mn-O鍵的共價(jià)性。這種共價(jià)性使得電子在Mn和O原子之間的轉(zhuǎn)移變得復(fù)雜，電子的運(yùn)動(dòng)受到一定程度的限制。同時(shí)，Mn-O-Mn鍵角的變化會(huì)影響電子的軌道重疊程度和電子的跳躍能力。當(dāng)Mn-O-Mn鍵角發(fā)生改變時(shí)，Mn原子的3d軌道與O原子的2p軌道之間的重疊程度也會(huì)相應(yīng)改變，從而影響電子在不同Mn原子之間的跳躍概率。在一些摻雜的鈣鈦礦錳氧化物中，由于A位或B位元素的替代，會(huì)導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，Mn-O-Mn鍵角發(fā)生變化，進(jìn)而改變電子的輸運(yùn)性質(zhì)和熱電勢。A位和B位離子的種類和半徑對晶體結(jié)構(gòu)和熱電勢也有重要影響。A位離子的半徑大小會(huì)影響晶格常數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。較大半徑的A位離子會(huì)使晶格膨脹，而較小半徑的A位離子則會(huì)使晶格收縮。晶格的變化會(huì)進(jìn)一步影響Mn-O鍵的長度和鍵角，從而改變電子的相互作用和輸運(yùn)性質(zhì)。在La_{1-x}Ca_{x}MnO_{3}體系中，隨著Ca（半徑小于La）摻雜濃度x的增加，晶格逐漸收縮，Mn-O鍵長縮短，鍵角發(fā)生變化，導(dǎo)致電子的局域化程度改變，熱電勢也隨之發(fā)生復(fù)雜的變化。B位離子的種類和價(jià)態(tài)變化同樣會(huì)影響晶體結(jié)構(gòu)和熱電勢。不同的B位離子具有不同的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，會(huì)改變Mn離子周圍的電子云分布和電子相互作用。當(dāng)B位部分Mn被其他過渡金屬離子替代時(shí)，會(huì)引入新的電子態(tài)和電子相互作用，從而影響電子的輸運(yùn)和熱電勢。在一些Mn部分被Fe替代的鈣鈦礦錳氧化物中，由于Fe和Mn的電子結(jié)構(gòu)差異，會(huì)導(dǎo)致材料的磁性和電子輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響熱電勢。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物中存在的電荷序、軌道序和磁有序等現(xiàn)象與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，并且對熱電勢產(chǎn)生重要影響。在一定條件下，材料中會(huì)出現(xiàn)電荷序，即電子在晶格中呈現(xiàn)出周期性的分布。電荷序的形成會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的局部畸變，改變電子的輸運(yùn)路徑和散射機(jī)制，從而影響熱電勢。軌道序是指Mn離子的3d軌道在晶格中呈現(xiàn)出特定的排列方式，這種排列方式會(huì)影響電子的軌道相互作用和電子的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響熱電勢。磁有序狀態(tài)下，電子的自旋排列具有一定的規(guī)律性，自旋-軌道耦合和自旋-自旋相互作用會(huì)對電子的輸運(yùn)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致熱電勢發(fā)生變化。在一些具有鐵磁有序的鈣鈦礦錳氧化物中，電子的自旋極化會(huì)改變電子的散射特性，使得熱電勢與非磁性狀態(tài)下有所不同。2.3磁性與熱電勢的耦合2.3.1磁性對電子態(tài)的調(diào)控在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，磁性對電子態(tài)的調(diào)控起著至關(guān)重要的作用，深刻影響著材料的熱電勢。磁性的產(chǎn)生源于電子的自旋和軌道角動(dòng)量，而這些微觀特性與電子態(tài)緊密相連。從微觀角度來看，電子的自旋是其固有屬性，每個(gè)電子都具有自旋角動(dòng)量，其取值為±1/2。在磁性材料中，電子的自旋會(huì)產(chǎn)生磁矩，這些磁矩之間的相互作用導(dǎo)致了材料的磁性。自旋-軌道耦合則是電子的自旋與軌道角動(dòng)量之間的相互作用。這種相互作用使得電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變得更加復(fù)雜，對電子態(tài)產(chǎn)生顯著影響。在一些具有重元素的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，由于重元素的原子序數(shù)較大，其原子核周圍的電子云分布較為復(fù)雜，自旋-軌道耦合效應(yīng)更為明顯。在銥氧化物（如Sr?IrO?）中，Ir原子的5d電子與原子核之間的自旋-軌道耦合作用很強(qiáng)，導(dǎo)致電子的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。自旋-軌道耦合會(huì)使電子的能級發(fā)生分裂，原本簡并的能級在自旋-軌道耦合的作用下變得不再簡并，這直接影響了電子的占據(jù)狀態(tài)和輸運(yùn)性質(zhì)。交換相互作用是磁性材料中另一個(gè)重要的相互作用。交換相互作用分為直接交換相互作用和間接交換相互作用。直接交換相互作用是相鄰原子的電子云相互重疊，電子之間的自旋通過庫侖相互作用產(chǎn)生耦合。在鐵磁性材料中，相鄰原子的電子自旋傾向于平行排列，這是由于直接交換相互作用使得平行自旋排列的能量更低。間接交換相互作用則是通過傳導(dǎo)電子或其他媒介來實(shí)現(xiàn)磁矩之間的耦合。在過渡金屬氧化物中，Mn-O-Mn之間的間接交換相互作用對材料的磁性和電子態(tài)有重要影響。當(dāng)Mn-O-Mn鍵角發(fā)生變化時(shí)，間接交換相互作用的強(qiáng)度也會(huì)改變，從而影響電子的自旋排列和電子態(tài)。磁性對電子態(tài)的調(diào)控還體現(xiàn)在對電子能帶結(jié)構(gòu)的影響上。在磁性材料中，由于電子自旋的有序排列，會(huì)形成自旋向上和自旋向下的兩個(gè)子能帶。這兩個(gè)子能帶的能量和電子占據(jù)情況可能不同，從而導(dǎo)致材料的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。在鐵磁性金屬中，自旋向上和自旋向下的子能帶在費(fèi)米能級附近的態(tài)密度不同，使得材料具有凈磁矩和特殊的電學(xué)性質(zhì)。當(dāng)施加外磁場時(shí)，磁性材料的電子態(tài)會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變化。外磁場會(huì)與電子的磁矩相互作用，使得電子的自旋方向發(fā)生改變，進(jìn)而影響電子的能級和能帶結(jié)構(gòu)。在一些磁性半導(dǎo)體中，外磁場可以改變電子的自旋極化狀態(tài)，從而調(diào)控材料的電導(dǎo)率和熱電勢。磁性還會(huì)影響電子的散射機(jī)制。在磁性材料中，電子與磁矩的相互作用會(huì)導(dǎo)致電子散射增強(qiáng)或減弱。當(dāng)電子與磁矩的方向不一致時(shí)，電子會(huì)受到散射，其運(yùn)動(dòng)方向和能量會(huì)發(fā)生改變。在反鐵磁性材料中，由于磁矩的反平行排列，電子在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到復(fù)雜的散射作用，這對電子的輸運(yùn)性質(zhì)和熱電勢產(chǎn)生重要影響。溫度的變化也會(huì)影響磁性對電子態(tài)的調(diào)控。隨著溫度的升高，磁性材料的磁有序狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生變化，電子的自旋排列變得更加無序，這會(huì)導(dǎo)致電子態(tài)和熱電勢發(fā)生相應(yīng)的變化。在鐵磁性材料中，當(dāng)溫度升高到居里溫度以上時(shí)，材料會(huì)從鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艖B(tài)，電子的自旋有序性被破壞，電子態(tài)和電學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生顯著改變。2.3.2磁熱電效應(yīng)及其物理機(jī)制磁熱電效應(yīng)是指在磁場作用下，熱電材料的熱電性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。這一效應(yīng)揭示了磁性與熱電勢之間的緊密耦合關(guān)系，在熱電材料的研究和應(yīng)用中具有重要意義。磁熱電效應(yīng)主要包括磁塞貝克效應(yīng)、磁珀?duì)柼?yīng)和磁湯姆遜效應(yīng)，其中磁塞貝克效應(yīng)與熱電勢的關(guān)系最為直接。磁塞貝克效應(yīng)是指在磁場存在的情況下，熱電材料的塞貝克系數(shù)發(fā)生變化，即單位溫度差下產(chǎn)生的熱電勢發(fā)生改變。從物理機(jī)制上來看，磁場對載流子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生洛倫茲力，使得載流子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在沒有磁場時(shí)，載流子在溫度梯度的作用下，沿著溫度降低的方向擴(kuò)散。當(dāng)施加磁場后，載流子受到洛倫茲力的作用，其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，這導(dǎo)致載流子在材料中的分布和散射情況發(fā)生變化。載流子的散射增強(qiáng)或減弱會(huì)影響其在溫度梯度下的輸運(yùn)能力，進(jìn)而改變熱電勢。在一些金屬材料中，磁場會(huì)使電子的散射增強(qiáng)，導(dǎo)致電子的平均自由程減小，從而降低了熱電勢。而在某些半導(dǎo)體材料中，磁場可以通過改變載流子的散射機(jī)制，使得載流子的輸運(yùn)更加有序，從而提高熱電勢。對于具有磁性的熱電材料，磁熱電效應(yīng)的物理機(jī)制更為復(fù)雜。在這類材料中，電子的自旋與磁場相互作用，會(huì)產(chǎn)生額外的能量項(xiàng)。當(dāng)材料處于磁場中時(shí)，電子的自旋會(huì)發(fā)生極化，使得自旋向上和自旋向下的電子在輸運(yùn)過程中表現(xiàn)出不同的行為。自旋極化會(huì)導(dǎo)致電子的散射特性發(fā)生變化，自旋向上和自旋向下的電子在與晶格振動(dòng)、雜質(zhì)等散射中心相互作用時(shí)，散射概率可能不同。這種自旋相關(guān)的散射會(huì)影響載流子的分布和輸運(yùn)，進(jìn)而影響熱電勢。在一些鐵磁性熱電材料中，磁場的變化會(huì)改變材料的磁結(jié)構(gòu)，使得電子的自旋排列發(fā)生改變，從而對熱電勢產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)磁場強(qiáng)度增加時(shí)，材料的磁結(jié)構(gòu)可能從弱磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁狀態(tài)，電子的自旋極化程度增強(qiáng)，熱電勢也會(huì)隨之發(fā)生變化。電子-聲子相互作用在磁熱電效應(yīng)中也起著重要作用。聲子是晶格振動(dòng)的量子化表現(xiàn)，電子與聲子之間的相互作用會(huì)影響載流子的散射和輸運(yùn)。在磁場作用下，電子-聲子相互作用可能會(huì)發(fā)生改變。磁場會(huì)影響晶格的振動(dòng)模式，使得聲子的能量和動(dòng)量分布發(fā)生變化，從而改變電子與聲子之間的相互作用強(qiáng)度。這種變化會(huì)進(jìn)一步影響載流子的散射和輸運(yùn)，對熱電勢產(chǎn)生影響。在一些具有強(qiáng)電子-聲子相互作用的熱電材料中，磁場對電子-聲子相互作用的調(diào)控作用更為明顯，磁熱電效應(yīng)也更為顯著。磁熱電效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。通過利用磁熱電效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對熱電材料熱電性能的調(diào)控。在溫差發(fā)電領(lǐng)域，施加磁場可以改變熱電材料的熱電勢，從而提高發(fā)電效率。在一些高溫廢熱回收的應(yīng)用場景中，利用磁熱電效應(yīng)可以更有效地將廢熱轉(zhuǎn)化為電能。磁熱電效應(yīng)還可以用于制備新型的磁控?zé)犭妭鞲衅?。通過檢測磁場變化對熱電勢的影響，可以實(shí)現(xiàn)對磁場、溫度等物理量的高精度測量。在一些磁場傳感器中，利用磁熱電效應(yīng)可以提高傳感器的靈敏度和分辨率。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，磁熱電效應(yīng)也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，利用磁熱電材料在磁場和溫度變化下產(chǎn)生的熱電勢，可以實(shí)現(xiàn)對生物組織的熱療和診斷。通過控制磁場和溫度，使磁熱電材料在生物組織中產(chǎn)生特定的熱電勢，從而實(shí)現(xiàn)對病變組織的治療和檢測。三、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢的實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)測量方法與技術(shù)3.1.1熱電勢測量原理與常用方法熱電勢的測量基于塞貝克效應(yīng)，其基本原理是當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路，且兩端存在溫度差時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢。通過測量該熱電勢的大小，可以了解材料的熱電性質(zhì)。在實(shí)際測量中，常用的方法主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是在穩(wěn)定的溫度梯度下對熱電勢進(jìn)行測量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測量原理簡單直觀，易于理解和操作。常用的穩(wěn)態(tài)測量方法包括直流四探針法和雙臂電橋法。直流四探針法是通過在樣品上施加直流電流，利用四探針測量樣品兩端的電壓降，從而計(jì)算出熱電勢。該方法可以有效消除接觸電阻對測量結(jié)果的影響，提高測量的準(zhǔn)確性。雙臂電橋法則是利用電橋平衡原理，通過調(diào)節(jié)電橋的電阻值，使電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，從而測量出熱電勢。這種方法在測量低電阻樣品的熱電勢時(shí)具有較高的精度。穩(wěn)態(tài)法適用于測量熱電勢隨溫度變化較為緩慢的材料。在測量過程中，需要確保樣品處于穩(wěn)定的溫度梯度下，并且測量時(shí)間足夠長，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在研究一些傳統(tǒng)熱電材料如碲化鉍（Bi?Te?）基材料的熱電勢時(shí)，穩(wěn)態(tài)法能夠穩(wěn)定地測量其在不同溫度下的熱電勢值，為研究其熱電性能提供可靠的數(shù)據(jù)。然而，穩(wěn)態(tài)法也存在一些缺點(diǎn)，例如測量過程較為耗時(shí)，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的穩(wěn)定性要求較高，且在測量過程中樣品可能會(huì)受到環(huán)境因素的影響，從而導(dǎo)致測量誤差。瞬態(tài)法是利用短時(shí)間內(nèi)的溫度變化來測量熱電勢。這種方法的優(yōu)勢在于測量速度快，能夠快速獲取材料的熱電勢信息。常用的瞬態(tài)測量方法有時(shí)域熱反射法（TDTR）和激光閃射法。時(shí)域熱反射法是通過向樣品表面發(fā)射短脈沖激光，激光被樣品吸收后會(huì)引起樣品表面溫度的瞬間變化，通過測量反射光的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，可以得到樣品的熱擴(kuò)散率和熱電勢等信息。激光閃射法則是利用激光脈沖快速加熱樣品的一側(cè)，然后測量樣品另一側(cè)的溫度變化，根據(jù)溫度變化曲線計(jì)算出熱電勢。瞬態(tài)法適用于研究熱電勢隨溫度快速變化的材料以及對測量時(shí)間要求較高的實(shí)驗(yàn)。在研究一些具有快速熱響應(yīng)特性的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料時(shí)，瞬態(tài)法能夠捕捉到其熱電勢在短時(shí)間內(nèi)的變化情況。然而，瞬態(tài)法的測量原理相對復(fù)雜，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精度和穩(wěn)定性要求極高，且測量結(jié)果容易受到激光脈沖能量波動(dòng)、樣品表面狀態(tài)等因素的影響，需要進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理。除了上述兩種常用方法外，還有一些其他的測量方法。在一些特殊情況下，會(huì)采用交流法來測量熱電勢。交流法是在樣品上施加交流電流，通過測量交流電壓的相位和幅度來確定熱電勢。這種方法可以有效地減少直流測量中可能存在的熱電勢漂移等問題，提高測量的穩(wěn)定性。在一些高精度的熱電勢測量實(shí)驗(yàn)中，交流法能夠提供更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。但交流法的測量設(shè)備較為復(fù)雜，需要專業(yè)的信號(hào)處理技術(shù)來分析測量數(shù)據(jù)。3.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與技術(shù)要點(diǎn)測量熱電勢所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括熱電勢測量儀、溫度控制系統(tǒng)等。熱電勢測量儀是直接測量熱電勢的關(guān)鍵設(shè)備，其測量精度和穩(wěn)定性對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。目前市場上常見的熱電勢測量儀通常采用高精度的數(shù)字電壓表或納伏表來測量熱電勢。這些測量儀具有高輸入阻抗、低噪聲等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測量微小的熱電勢信號(hào)。一些先進(jìn)的熱電勢測量儀還具備自動(dòng)量程切換、數(shù)據(jù)采集和處理等功能，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率和測量的準(zhǔn)確性。溫度控制系統(tǒng)用于在樣品兩端建立穩(wěn)定的溫度差，是熱電勢測量實(shí)驗(yàn)中的重要組成部分。溫度控制系統(tǒng)通常由加熱裝置、冷卻裝置和溫度傳感器組成。加熱裝置可以采用電阻加熱、激光加熱等方式，通過調(diào)節(jié)加熱功率來控制樣品的溫度。冷卻裝置則可以使用液氮、水冷等方式，將樣品的另一端冷卻到較低的溫度，從而形成溫度差。溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品兩端的溫度，常見的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻等。熱電偶是一種常用的溫度傳感器，它利用熱電效應(yīng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為熱電勢信號(hào)，具有響應(yīng)速度快、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。在熱電勢測量實(shí)驗(yàn)中，通常會(huì)使用高精度的熱電偶來確保溫度測量的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)過程中，有許多技術(shù)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)需要關(guān)注。樣品的制備和安裝對測量結(jié)果有重要影響。樣品應(yīng)具有良好的質(zhì)量和均勻性，以確保測量結(jié)果能夠真實(shí)反映材料的熱電性質(zhì)。在制備樣品時(shí)，需要嚴(yán)格控制材料的成分、結(jié)構(gòu)和尺寸。對于一些強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料，由于其對制備工藝非常敏感，微小的工藝差異可能導(dǎo)致材料性質(zhì)的顯著變化，因此需要采用精確的制備方法，如分子束外延（MBE）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等技術(shù)，以制備高質(zhì)量的樣品。在安裝樣品時(shí)，要確保樣品與熱電勢測量儀和溫度控制系統(tǒng)之間的良好接觸，減少接觸電阻和熱阻，避免對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。測量過程中的環(huán)境因素也需要嚴(yán)格控制。環(huán)境溫度、濕度和磁場等因素都可能對熱電勢的測量產(chǎn)生干擾。為了減少環(huán)境溫度的影響，實(shí)驗(yàn)通常在恒溫環(huán)境中進(jìn)行，或者采用溫度補(bǔ)償技術(shù)來消除環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果的影響。濕度可能會(huì)導(dǎo)致樣品表面氧化或腐蝕，從而改變樣品的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)保持干燥。磁場對一些具有磁性的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電勢有顯著影響，所以在測量這類材料時(shí)，需要采取屏蔽措施，減少外界磁場的干擾。實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)采集和處理也至關(guān)重要。在測量過程中，需要準(zhǔn)確記錄熱電勢和溫度等數(shù)據(jù)。為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，通常會(huì)進(jìn)行多次測量，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在數(shù)據(jù)處理過程中，需要考慮測量誤差的來源和影響，采用合適的誤差分析方法來評估測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于一些復(fù)雜的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料，由于其熱電勢可能受到多種因素的影響，數(shù)據(jù)處理過程中還需要進(jìn)行多參數(shù)擬合和分析，以揭示熱電勢與各種因素之間的關(guān)系。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1不同強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電勢特性本實(shí)驗(yàn)選取了三種典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料：銅氧化物高溫超導(dǎo)體（以Bi?Sr?CaCu?O?為例）、重費(fèi)米子體系（以CeCu?Si?為例）和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物（以La?.?Ca?.?MnO?為例），對它們的熱電勢特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。實(shí)驗(yàn)中采用穩(wěn)態(tài)法中的直流四探針法測量熱電勢，利用高精度的熱電勢測量儀和穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)，確保測量的準(zhǔn)確性。通過改變樣品兩端的溫度差，測量不同溫度下的熱電勢，并在不同磁場條件下進(jìn)行測試，以研究磁場對熱電勢的影響。對于Bi?Sr?CaCu?O?，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其熱電勢隨溫度的變化呈現(xiàn)出復(fù)雜的規(guī)律。在高溫區(qū)，熱電勢隨著溫度升高而逐漸增大，且增大的速率逐漸加快。當(dāng)溫度達(dá)到一定值后，熱電勢出現(xiàn)了一個(gè)明顯的峰值，隨后隨著溫度繼續(xù)升高，熱電勢又逐漸減小。研究發(fā)現(xiàn)，這種變化與材料中的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及贗能隙的存在密切相關(guān)。在高溫下，電子之間的關(guān)聯(lián)作用較弱，載流子的散射主要由晶格振動(dòng)引起，隨著溫度升高，載流子的熱激發(fā)增強(qiáng)，熱電勢增大。當(dāng)溫度接近贗能隙溫度時(shí)，電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)增強(qiáng)，載流子的散射機(jī)制發(fā)生改變，導(dǎo)致熱電勢出現(xiàn)峰值。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，進(jìn)入贗能隙區(qū)域，電子的局域化程度增加，載流子濃度降低，熱電勢減小。在磁場作用下，Bi?Sr?CaCu?O?的熱電勢也發(fā)生了顯著變化。隨著磁場強(qiáng)度的增加，熱電勢在某些溫度范圍內(nèi)增大，而在另一些溫度范圍內(nèi)減小。這是因?yàn)榇艌鰰?huì)影響電子的自旋和運(yùn)動(dòng)軌跡，改變電子的散射機(jī)制和電子態(tài)分布。在低磁場下，磁場對電子的影響較小，熱電勢主要受溫度和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的影響。當(dāng)磁場強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，磁場與電子的自旋相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致電子的散射增強(qiáng)或減弱，從而改變熱電勢。在某些特定的磁場和溫度條件下，磁場會(huì)使電子的自旋極化，形成自旋相關(guān)的輸運(yùn)通道，使得熱電勢增大；而在另一些條件下，磁場會(huì)增強(qiáng)電子與雜質(zhì)或晶格缺陷的散射，導(dǎo)致熱電勢減小。CeCu?Si?的熱電勢特性也表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的特點(diǎn)。在低溫區(qū)，熱電勢隨著溫度降低而迅速增大，呈現(xiàn)出非費(fèi)米液體行為。這是由于在低溫下，Ce離子的局域磁矩與傳導(dǎo)電子之間的相互作用增強(qiáng)，Kondo效應(yīng)和RKKY相互作用相互競爭，導(dǎo)致電子的有效質(zhì)量增大，載流子的散射機(jī)制發(fā)生改變。Kondo效應(yīng)使得電子的散射增強(qiáng)，而RKKY相互作用則會(huì)影響電子的自旋排列和磁有序狀態(tài)，這些因素共同作用使得熱電勢在低溫下出現(xiàn)異常增大。當(dāng)溫度升高到一定程度后，熱電勢逐漸趨于平緩，隨著溫度繼續(xù)升高，熱電勢又開始逐漸減小。在高溫區(qū)，熱電勢主要受晶格振動(dòng)和電子-聲子相互作用的影響，隨著溫度升高，晶格振動(dòng)加劇，電子-聲子散射增強(qiáng)，載流子的遷移率降低，熱電勢減小。磁場對CeCu?Si?的熱電勢影響也十分顯著。在低溫下，磁場可以抑制Kondo效應(yīng)，使得電子的散射減弱，熱電勢減小。隨著磁場強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，材料的磁結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)入不同的磁有序相，熱電勢會(huì)出現(xiàn)突變或異常變化。在一些特定的磁場強(qiáng)度下，材料會(huì)出現(xiàn)量子相變，從一種磁有序相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N磁有序相，此時(shí)熱電勢會(huì)發(fā)生急劇變化。這種磁場誘導(dǎo)的量子相變與電子的自旋和磁矩的重新排列密切相關(guān)，導(dǎo)致電子的輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生顯著改變，進(jìn)而影響熱電勢。對于La?.?Ca?.?MnO?，其熱電勢不僅與溫度有關(guān)，還與磁場和摻雜濃度密切相關(guān)。在不同溫度下，熱電勢隨著磁場強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。在低磁場下，熱電勢隨著磁場強(qiáng)度的增加而逐漸增大，這是因?yàn)榇艌鰰?huì)使材料中的電子自旋極化，增強(qiáng)電子的有序性，減少電子的散射，從而提高熱電勢。當(dāng)磁場強(qiáng)度增加到一定程度后，熱電勢會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，隨后隨著磁場強(qiáng)度繼續(xù)增加，熱電勢又逐漸減小。這是由于在高磁場下，磁場會(huì)導(dǎo)致材料中的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，電子的散射機(jī)制再次改變，使得熱電勢減小。摻雜濃度對La?.?Ca?.?MnO?的熱電勢也有重要影響。隨著Ca摻雜濃度的增加，材料的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，電子-電子相互作用和電子-晶格相互作用也發(fā)生變化。在低摻雜濃度下，熱電勢隨著溫度的升高而逐漸增大，這與傳統(tǒng)的熱電材料類似。然而，當(dāng)摻雜濃度增加到一定程度后，熱電勢的溫度依賴關(guān)系發(fā)生改變，在某些溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了異常的變化。研究發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)閾诫s會(huì)引入額外的載流子和缺陷，改變材料的能帶結(jié)構(gòu)和電子關(guān)聯(lián)程度，從而影響熱電勢。在高摻雜濃度下，材料中可能會(huì)形成電荷序和磁有序的競爭狀態(tài)，導(dǎo)致熱電勢出現(xiàn)復(fù)雜的變化。通過對這三種典型強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢特性的研究，可以看出強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電勢受電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)、晶體結(jié)構(gòu)、磁性以及外部條件（溫度、磁場等）的綜合影響，呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料截然不同的特性。這些研究結(jié)果為深入理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電性質(zhì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為進(jìn)一步優(yōu)化強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電性能提供了方向。3.2.2熱電勢與其他物理性質(zhì)的關(guān)聯(lián)為了深入探究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢與其他物理性質(zhì)之間的關(guān)系，在測量熱電勢的同時(shí)，對樣品的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和磁化率等物理性質(zhì)進(jìn)行了同步測量。電導(dǎo)率反映了材料傳導(dǎo)電流的能力，與熱電勢密切相關(guān)。對于強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料，其電導(dǎo)率的變化會(huì)影響載流子的輸運(yùn)，進(jìn)而影響熱電勢。在Bi?Sr?CaCu?O?中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電導(dǎo)率隨著溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在低溫區(qū)，電子的散射主要由雜質(zhì)和晶格缺陷引起，隨著溫度升高，載流子的熱激發(fā)增強(qiáng)，電導(dǎo)率增大。當(dāng)溫度升高到一定程度后，晶格振動(dòng)加劇，電子-聲子散射增強(qiáng)，電導(dǎo)率開始減小。熱電勢與電導(dǎo)率之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。在電導(dǎo)率增大的階段，熱電勢也呈現(xiàn)出增大的趨勢，但并非簡單的線性關(guān)系。這是因?yàn)樵趶?qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中，電子之間的相互作用會(huì)影響載流子的遷移率和散射機(jī)制，使得熱電勢與電導(dǎo)率的關(guān)系變得復(fù)雜。在高溫區(qū)，電導(dǎo)率減小，而熱電勢則出現(xiàn)峰值后減小，這表明在高溫下，電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)和晶格振動(dòng)對熱電勢和電導(dǎo)率的影響更為顯著。熱導(dǎo)率是衡量材料傳導(dǎo)熱量能力的物理量，對熱電性能也有著重要影響。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，熱導(dǎo)率由電子熱導(dǎo)率和晶格熱導(dǎo)率兩部分組成。電子熱導(dǎo)率與載流子的輸運(yùn)有關(guān)，而晶格熱導(dǎo)率則與晶格振動(dòng)的傳播有關(guān)。在CeCu?Si?中，實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，熱導(dǎo)率隨著溫度的降低而減小。在低溫下，電子的散射主要由局域磁矩與傳導(dǎo)電子之間的相互作用引起，導(dǎo)致電子熱導(dǎo)率減小。晶格熱導(dǎo)率也隨著溫度降低而減小，這是因?yàn)榈蜏叵戮Ц裾駝?dòng)的能量降低，聲子的平均自由程減小。熱電勢與熱導(dǎo)率之間存在著相互制約的關(guān)系。根據(jù)熱電優(yōu)值的計(jì)算公式ZT=S2σκ?1，在其他條件不變的情況下，熱導(dǎo)率的減小有利于提高熱電優(yōu)值。然而，在實(shí)際材料中，降低熱導(dǎo)率可能會(huì)對電導(dǎo)率和熱電勢產(chǎn)生負(fù)面影響。在一些通過引入缺陷或雜質(zhì)來降低熱導(dǎo)率的方法中，往往會(huì)導(dǎo)致載流子的散射增強(qiáng)，電導(dǎo)率減小，進(jìn)而影響熱電勢。因此，需要在降低熱導(dǎo)率的同時(shí)，優(yōu)化材料的電子結(jié)構(gòu)和載流子輸運(yùn)性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)熱電性能的綜合提升。磁化率反映了材料在外磁場作用下的磁化程度，與強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的磁性密切相關(guān)，進(jìn)而對熱電勢產(chǎn)生影響。在La?.?Ca?.?MnO?中，隨著磁場強(qiáng)度的變化，磁化率呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。在低磁場下，材料逐漸被磁化，磁化率隨著磁場強(qiáng)度的增加而增大。當(dāng)磁場強(qiáng)度增加到一定程度后，磁化率達(dá)到飽和狀態(tài)。熱電勢與磁化率之間存在著明顯的關(guān)聯(lián)。在磁化率增大的過程中，材料中的電子自旋極化增強(qiáng)，電子的有序性增加，這會(huì)影響電子的散射機(jī)制和輸運(yùn)性質(zhì)，從而導(dǎo)致熱電勢發(fā)生變化。在一些具有鐵磁有序的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，磁化率與熱電勢之間的關(guān)系更為緊密。當(dāng)材料處于鐵磁態(tài)時(shí)，電子的自旋排列有序，自旋-軌道耦合和自旋-自旋相互作用會(huì)對電子的輸運(yùn)產(chǎn)生影響，使得熱電勢與非磁性狀態(tài)下有所不同。通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，可以改變材料的磁化率，進(jìn)而調(diào)控?zé)犭妱?。通過對強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢與電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和磁化率等物理性質(zhì)的關(guān)聯(lián)研究，可以看出這些物理性質(zhì)之間相互影響、相互制約。深入理解它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，對于優(yōu)化強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電性能具有重要意義。在材料設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化過程中，需要綜合考慮這些物理性質(zhì)的變化，通過合理的摻雜、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控等手段，實(shí)現(xiàn)熱電勢、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等性能參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，以提高強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電優(yōu)值，推動(dòng)其在熱電領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型的對比驗(yàn)證3.3.1現(xiàn)有理論模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋能力為了評估現(xiàn)有理論模型對強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋能力，將實(shí)驗(yàn)測量得到的熱電勢數(shù)據(jù)與基于不同理論模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)對比?；诿芏确汉碚摚―FT）的第一性原理計(jì)算在解釋強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)方面具有重要作用。通過第一性原理計(jì)算，可以得到材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等信息，進(jìn)而計(jì)算出熱電勢。對于Bi?Sr?CaCu?O?，第一性原理計(jì)算能夠較好地預(yù)測其能帶結(jié)構(gòu)和電子的分布情況。計(jì)算結(jié)果表明，在高溫區(qū)，隨著溫度升高，電子的熱激發(fā)增強(qiáng)，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的熱電勢增大趨勢在定性上是一致的。然而，在低溫區(qū)，特別是接近超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的熱電勢異常變化，第一性原理計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)存在一定偏差。這是因?yàn)镈FT在處理強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)時(shí)存在一定的局限性，它采用的局域密度近似（LDA）或廣義梯度近似（GGA）難以準(zhǔn)確描述電子之間的強(qiáng)相互作用，導(dǎo)致對電子態(tài)的描述不夠精確，從而影響了對熱電勢的計(jì)算精度。動(dòng)態(tài)平均場理論（DMFT）在處理強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。它能夠有效地考慮電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，通過將多體問題映射到單雜質(zhì)安德森模型上進(jìn)行求解。對于CeCu?Si?，DMFT計(jì)算能夠較好地解釋其在低溫下的非費(fèi)米液體行為。計(jì)算結(jié)果表明，在低溫下，Ce離子的局域磁矩與傳導(dǎo)電子之間的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致電子的有效質(zhì)量增大，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的熱電勢在低溫下迅速增大的現(xiàn)象相符合。然而，DMFT計(jì)算也存在一些問題。在計(jì)算過程中，需要對一些參數(shù)進(jìn)行近似處理，這可能會(huì)引入一定的誤差。DMFT在處理復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)和多軌道體系時(shí)，計(jì)算量非常大，計(jì)算精度也受到一定限制。在處理CeCu?Si?中多個(gè)軌道的電子相互作用時(shí)，DMFT的計(jì)算結(jié)果雖然能夠定性地解釋熱電勢的變化趨勢，但在定量上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍存在一定差異。對于La?.?Ca?.?MnO?，基于傳統(tǒng)的能帶理論和半經(jīng)典輸運(yùn)理論的計(jì)算方法，在解釋其熱電勢與磁場、溫度和摻雜濃度的關(guān)系時(shí)存在一定的局限性。傳統(tǒng)理論能夠解釋一些基本的熱電現(xiàn)象，如熱電勢隨溫度升高而增大的趨勢。但在解釋磁場對熱電勢的影響以及摻雜引起的熱電勢異常變化時(shí)，傳統(tǒng)理論顯得力不從心。在高磁場下，傳統(tǒng)理論無法準(zhǔn)確描述電子自旋極化和磁結(jié)構(gòu)變化對熱電勢的影響。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)理論沒有充分考慮電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及磁性對電子輸運(yùn)的復(fù)雜影響。綜合來看，現(xiàn)有理論模型在解釋強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料熱電勢實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，在某些方面能夠取得一定的成功，但在處理復(fù)雜的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)、磁性與電子輸運(yùn)的耦合等問題時(shí)，仍存在不同程度的不足。這些理論模型在定性解釋熱電勢的一些基本變化趨勢上具有一定的能力，但在定量計(jì)算和解釋一些特殊的熱電現(xiàn)象時(shí)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在明顯的偏差。3.3.2理論與實(shí)驗(yàn)差異的原因分析及改進(jìn)方向理論與實(shí)驗(yàn)存在差異的原因是多方面的，主要包括理論模型的簡化假設(shè)、實(shí)驗(yàn)條件的限制以及材料本身的復(fù)雜性等。理論模型的簡化假設(shè)是導(dǎo)致差異的重要原因之一。在基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算中，雖然能夠計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)，但采用的近似方法（如LDA、GGA）無法準(zhǔn)確描述強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中電子之間的強(qiáng)相互作用。在一些過渡金屬氧化物中，電子之間的庫侖相互作用很強(qiáng)，而LDA和GGA在處理這種強(qiáng)庫侖相互作用時(shí)存在局限性，導(dǎo)致對電子態(tài)的描述不夠準(zhǔn)確，進(jìn)而影響了對熱電勢的計(jì)算。動(dòng)態(tài)平均場理論雖然能夠有效處理電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)問題，但在計(jì)算過程中對一些參數(shù)的近似處理以及在處理復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)和多軌道體系時(shí)的困難，也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)存在偏差。在處理具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料時(shí)，DMFT需要對晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，這可能會(huì)忽略一些對熱電勢有重要影響的因素。實(shí)驗(yàn)條件的限制也會(huì)導(dǎo)致理論與實(shí)驗(yàn)的差異。在實(shí)驗(yàn)測量過程中，樣品的質(zhì)量、制備工藝以及測量環(huán)境等因素都會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料對制備工藝非常敏感，微小的工藝差異可能導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)發(fā)生變化，從而影響熱電勢。在測量熱電勢時(shí)，測量儀器的精度、測量過程中的溫度穩(wěn)定性以及環(huán)境磁場的干擾等因素也會(huì)引入實(shí)驗(yàn)誤差。在一些高精度的熱電勢測量實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境磁場的微小變化可能會(huì)對具有磁性的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的熱電勢測量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。材料本身的復(fù)雜性也是導(dǎo)致理論與實(shí)驗(yàn)差異的重要因素。強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料往往具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)、電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用以及磁性等多種因素的耦合。這些復(fù)雜因素之間的相互作用使得材料的熱電性質(zhì)變得非常復(fù)雜，難以用單一的理論模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述。在一些具有電荷序和磁有序的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料中，電荷序和磁有序的形成與電子之間的相互作用以及晶格的周期性密切相關(guān)，這些因素的綜合作用導(dǎo)致熱電勢呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律，現(xiàn)有理論模型很難全面準(zhǔn)確地解