黑磷中半导体—半金属转变过程中的热电响应

尽管对金属中热电效应的研究十分深入，人们对低温下半导体中的热电响应却知之甚少。一个更为引人入胜且尚未解答的问题是：当半导体转变为金属时，塞贝克系数会发生什么变化。通过利用压力精确调控黑磷的基态，使其从半导体态过渡到半金属态，我们追踪了塞贝克系数的系统性演化。得益于塞贝克系数与电阻率之间的明显关联，我们识别出了各传导区间（即本征区、饱和区、外禀区和变程跳跃（VRH）区）中的塞贝克响应。在前两个区间中，塞贝克系数的行为符合现有理论；而在后两个区间中，现有理论无法令人满意地解释其响应。然而，通过消除电阻率 $\rho$ 和塞贝克系数 $S$ 中的外禀样品依赖性，佩尔捷电导率 $\alpha=S/\rho$ 得以揭示本征热电响应，显示出 $\alpha$ 在VRH区趋于消失。进入半金属态时出现的电离杂质散射，由于屏蔽长度被压缩以及载流子密度随压力增加，轻易地被电子-电子散射所超越。在低温极限下，少量载流子使 $T$ 线性塞贝克系数的前因子增大到典型半金属中所观测到的量级。观测到 $T$ 线性前因子的符号反转与载流子主导散射机制的改变同时发生，这表明载流子散射在决定塞贝克系数大小和符号方面起着关键却长期被忽视的作用。