含纳米孔的石墨烯基拓扑绝缘体中的巨热电效应

设计具有高优值 $ZT=S^2 G T/\kappa$ 的热电材料需要满足三个通常不可调和的条件，即高电导 $G$、低热导 $\kappa$ 和高塞贝克系数 $S$。纳米结构化是实现这一目标的有前途的途径之一，因为它可以显著抑制 $\kappa$ 的晶格贡献。然而，这也可能以不可控的方式不利地影响电子传输。在此，我们从理论上证明，通过制备带有重吸附原子和纳米孔的石墨烯纳米带可以理想地解决这一问题。这些系统作为具有稳健螺旋边缘态的二维拓扑绝缘体，承载电流，每条螺旋导电通道产生高度优化的功率因子 $S^2G$。同时，其纳米孔阵列阻碍了穿过体材料的晶格热传导。利用结合第一性原理电子和声子能带结构计算的量子输运模拟，发现热电优值在 $T \simeq 40$ K 时达到最大值 $ZT \simeq 3$。这为通过纳米结构化利用电子态的非平凡拓扑来设计高 $ZT$ 材料铺平了道路。