一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统

本发明涉及利用拓扑绝缘体的非均匀性实现热能到电能转换的，尤其涉及在拓扑表面态上产生及探测不均匀电化学势领域，特别是一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统。

背景技术：

1、拓扑绝缘体是近年来发现的一种具有新奇量子特性的物质,这类材料的特点是体内的能带具有典型的绝缘体特征，在费米能处存在着能隙，然而在这类材料的表面则总是存在着受对称性保护的穿越能隙的拓扑电子态，使得材料表面总是金属性的。

2、拓扑绝缘体有很多应用潜力，但是目前关于直接利用拓扑绝缘体的表面态电子态的应用方案很少，如仅有拓扑材料的结构设计，含有拓扑材料的电路设计等。

3、此外，目前的应用方案大多是基于弱关联的拓扑绝缘体材料提出的样品制备或应用原理，且不涉及相关材料在热能-电能转换方面的应用。

4、拓扑绝缘体的一个主要应用困难是弱关联拓扑绝缘体往往不够“完美”，即拓扑非平庸的表面电子态可能与拓扑平庸的体态混合，或者表面电子态的狄拉克点远离材料的费米能，又或者材料的能量尺度较高而不容易调控，这些缺陷导致了拓扑绝缘体材料应用的困难，也限制了具体应用方案的设计。

5、本发明提出了利用拓扑近藤绝缘体实现热能到电能的能量转换系统，作为一种类似化学电池的新型能量转换系统，实现热能到电能的直接且高效的转换。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中热能到电能的转换效率低的问题以及弱关联拓扑绝缘体难以调控的难点，提供一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统。本发明能够实现在拓扑近藤绝缘体中诱导出拓扑表面态-绝缘体态共存的区域，从而获得电能；本发明能够将热能高效率地转化为电能，尤其是低温环境下，可以持续的获得电能，在低温环境下的电路应用中具有潜力。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提供了一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，通过金属导线连接拓扑绝缘体材料表面电化学势不同的区域，获得与化学电池类似的电势差，以实现热能到电能的转换的电路系统。

3、进一步地，所述拓扑绝缘体材料是具有强关联效应的拓扑近藤绝缘体，所述拓扑绝缘体材料包括但不限于六硼化钐(smb6)、十二硼化镱(ybb12)、二锑化铁(fesb2)和铁硅合金(fesi)。

4、进一步地，所述拓扑近藤绝缘体的特征是具有通过强关联效应导致的完全打开的体态能隙，且该能隙与拓扑近藤绝缘体的费米能的距离为-20mev～20mev范围内。

5、进一步地，所述拓扑近藤绝缘体的拓扑表面态通过晶体缺陷及体态、表面离子注入或局域覆盖铁磁半导体薄膜，表面近邻效应产生不均匀性，以在同一材料表面构造拓扑平庸与非平庸的能带共存的结构。

6、进一步地，所述拓扑表面态的电化学势差异被热激发的电子维持，从而实现热能到电能的有效转换，热激发的形式包括热传导和热辐射两种方式。

7、进一步地，所述系统的工作温度小于等于所述拓扑绝缘体材料的拓扑表面态开始形成的温度。

8、进一步地，所述金属导线包括但不限于铜线和铝线等，所述金属导线通过导电胶、表面电极沉积或焊接技术连接拓扑绝缘体材料表面电化学势不同的区域。

9、本发明所述的热电能量转换系统由带有表面缺陷的拓扑绝缘体材料如六硼化钐(smb6)作为能量转换单元，在拓扑表面态形成的温度区间内，拓扑绝缘体材料表面存在拓扑平庸与非平庸的两种区域，通过使用金属导线将这两种区域连接，形成的闭合回路可以获得持续的电能。

10、本发明所述的拓扑近藤绝缘体材料可以由公开报道的固相反应法或光学浮区炉提拉法制备得到，该公开报道可参见d.j.kim等,nat.mater.13,466(2014).。

11、进一步地，将制备好的拓扑近藤绝缘体材料的固体样品在含有氧化铝陶瓷的抛光纸上打磨至表面粗糙度小于5纳米。

12、进一步地，在拓扑近藤绝缘体材料发生拓扑相变的温度区间内，即在拓扑近藤绝缘体材料的拓扑表面态形成的温度区间内，拓扑近藤绝缘体材料表面由于晶体天然缺陷或者人工引入的缺陷形成部分金属(即拓扑非平庸)与部分绝缘体(即拓扑平庸)的相分离区域，从而使得拓扑近藤绝缘体材料同一表面表现出不同的电化学势。

13、进一步地，所述温度区间小于20开尔文。

14、本发明所述的热电能量转换系统的正极需要接入拓扑近藤绝缘体材料表面容易形成拓扑表面态的纯净区域，负极需要接入缺陷较多的区域。

15、本发明所述的热电能量转换系统需要在打磨好的拓扑近藤绝缘体材料表面制备多个电极，在光滑的上表面制备多个电极，电极的大小小于等于100微米*100微米，同时将拓扑近藤绝缘体材料的下表面用导电金属胶均匀短路，作为负极(也称为接地参考点)。

16、进一步地，本发明所述热电能量转换系统的正极为拓扑近藤绝缘体材料上表面的一个电极，负极为拓扑近藤绝缘体材料下表面或者上表面中电化学势低的区域，正负极通过金属导线连接形成一个回路。

17、进一步地，将拓扑近藤绝缘体材料的温度降低并维持在发生拓扑相变的温度附近以获取大的电势差，电势差最大值由拓扑近藤绝缘体材料的体态能隙的大小限制，最大电流由工作时闭合回路的总电阻限制。

18、本发明所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，利用了拓扑绝缘体表面的不均匀性，实现热能到电能的转换。

19、本发明还提供了一种如上述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统在收集环境热量并转化为持续电能中的应用。

20、本发明的有益效果是，本发明的制备方法简单、成本低廉、易于规模生产，可以制备廉价的热能转换系统，具有优良的转换效率，在低温供电电路、航空航天器件、太空探索能源获得等方向都有良好的应用前景；本发明可以在低温环境下可持续的将能量密度低的热能转化为电能。

技术特征：

1.一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，通过金属导线连接拓扑绝缘体材料表面电化学势不同的区域，获得与化学电池类似的电势差，以实现热能到电能的转换的电路系统。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述拓扑绝缘体材料是具有强关联效应的拓扑近藤绝缘体，所述拓扑绝缘体材料包括六硼化钐、十二硼化镱、二锑化铁和铁硅合金。

3.根据权利要求2所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述拓扑近藤绝缘体的特征是具有通过强关联效应导致的完全打开的体态能隙，且该能隙与拓扑近藤绝缘体的费米能的距离为-20mev～20mev。

4.根据权利要求2所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述拓扑近藤绝缘体的拓扑表面态通过晶体缺陷及体态、表面离子注入或局域覆盖铁磁半导体薄膜，表面近邻效应产生不均匀性，以在同一材料表面构造拓扑平庸与非平庸的能带共存的结构。

5.根据权利要求4所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述拓扑表面态的电化学势差异被热激发的电子维持，以实现热能到电能的转换，热激发的形式包括热传导和热辐射两种方式。

6.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述系统的工作温度小于等于所述拓扑绝缘体材料的拓扑表面态开始形成的温度。

7.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，其特征在于，所述金属导线包括铜线和铝线，所述金属导线通过导电胶、表面电极沉积或焊接技术连接拓扑绝缘体材料表面电化学势不同的区域。

技术总结
本发明公开了一种基于拓扑绝缘体的热电能量转换系统，该系统的核心是利用一种特殊的拓扑近藤绝缘体的晶格缺陷或人工引入的缺陷，从而在材料表面构造拓扑平庸的绝缘体态与拓扑非平庸的金属态共存的区域，这些区域之间具有不同电化学势，并且可以通过热激发的电子维持其电势差；通过金属导线将不同电化学势的区域连接，可以获得持续的电能。本发明的优势在于拓扑绝缘体材料可以在拓扑相变温度附近，通过热电子的激发在绝缘体与金属区域之间维持恒定的电化学势，从而维持稳定的电势差，是一种高效的热能到电能的转换系统，可以直接将热能高效率地转换为电能。

技术研发人员：焦琳
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15