三维拓扑绝缘体薄膜中增强的热电性能

热电（TE）器件因其将热能直接转换为电能的能力而受到越来越多的关注。迄今为止，提高热电优值仍然是关键挑战。拓扑绝缘体的出现和新兴的纳米技术为设计高性能热电器件开辟了新途径。在本文中，我们通过第一性原理计算和玻尔兹曼输运理论研究了 Bi2Se3 薄膜的热电输运性质。通过将我们的计算与先前的实验数据进行比较，我们证明，对于厚度大于六个五原子层的 Bi2Se3 薄膜，体带隙中拓扑表面态的弛豫时间约为数百飞秒，比体态的弛豫时间大约两个数量级。如此大的弛豫时间差异导致电导与热导的比值远大于维德曼-弗朗兹定律预测的值，同时塞贝克系数幅度很大，因此当费米能级接近导带边缘时，热电优值很大。我们表明，通过在薄膜中间层引入缺陷可以进一步提高热电性能。这种改善在室温下通常显著，并且在更高温度下可以进一步增强。