拓扑节线材料Fe4C中反常热电效应的理论预测

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240237

摘要/Abstract

摘要：

寻找具有室温应用潜力的反常能斯特电导率大的材料对于热电器件的发展至关重要.拓扑磁性材料由于具有特殊的电子结构，可以表现出比传统磁性材料更强的反常霍尔电导率和反常能斯特电导率.通过第一性原理计算对Fe₄C化合物的热电效应进行了详细研究.结果表明，外磁场的引入破坏了不同镜面上由对称性保护的节线环以及在某些高对称路径上的节线，由此产生较大的本征贝里曲率是Fe₄C化合物具有显著反常霍尔电导率和反常能斯特电导率的主要原因.这一发现揭示了晶体对称性与材料本征贝里曲率之间的强关联性.此外，温度依赖的反常能斯特电导率曲线表明了Fe₄C化合物具有室温应用潜力.以上结果有助于全面理解Fe₄C化合物的热电效应及其应用.

关键词: 热电效应, 第一性原理计算, 贝里曲率, 反常霍尔效应, 反常能斯特效应

Abstract:

The search for materials with large anomalous Nernst conductivity at room temperature is crucial for the development of thermoelectric devices. Topological magnetic materials， due to their unique electronic structures， can exhibit bigger anomalous Hall conductivity and anomalous Nernst conductivity compared to conventional magnetic materials. The thermoelectric effects of the Fe₄C compound have been studied through first-principles calculations. The results show that the introduction of an external magnetic field breaks symmetry-protected nodal line rings on various mirrors， as well as nodal lines on certain high-symmetry paths， leading to a significant intrinsic Berry curvature. This large intrinsic Berry curvature is the main reason for the substantial anomalous Hall conductivity and anomalous Nernst conductivity of the Fe₄C compound. This finding highlights the strong correlation between crystal symmetry and the intrinsic Berry curvature of the material. Additionally， the temperature-dependent anomalous Nernst conductivity curve shows the potential of the Fe₄C compound for applications at room temperature. These results contribute to a comprehensive understanding of the thermoelectric effects in Fe₄C compounds and their further applications.

Key words: thermoelectric effect, first-principles calculation, Berry curvature, anomalous Hall effect, anomalous Nernst effect

中图分类号:

O 469

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图/表 5

图1 热电效应（a）—基于泽贝克效应的热电装置；（b）—泽贝克效应和佩尔捷效应工作原理；（c）—能斯特效应和反常能斯特效应工作原理.

Fig.1 Thermoelectric effect

图2 具有大泽贝克效应和反常能斯特效应的电子结构（a）—费米能级附近的能带简并导致大的态密度；（b）—自旋轨道耦合引起能带反转造成非零贝里曲率.

Fig.2 Electronic structure with large Seebeck effect and anomalous Nernst effect

图3 Fe4C化合物的晶体结构、布里渊区与电子结构（a）—晶体结构；（b）—布里渊区；（c）—铁磁态电子能带结构；（d）—铁磁态加自旋轨道耦合电子能带结构；（e）—铁磁态电子态密度；（f）—铁磁态加自旋轨道耦合电子态密度.

Fig.3 Crystal structure, Brillouin zone, and electronic structure of Fe4C compound

图4 K点和能量依赖的反常霍尔电导率以及能量和温度依赖的反常能斯特电导率（a）—K点依赖的反常霍尔电导率；（b）—能量依赖的反常霍尔电导率；（c）—能量依赖的反常能斯特电导率；（d）—温度依赖的反常能斯特电导率.

Fig.4 K points and energy dependent anomalous Hall conductivity, as well as energy and temperature dependent anomalous Nernst conductivity

图5 不同情况下节线的能带和贝里曲率（a）—自旋极化下节线的三维能带；（b）—自旋轨道耦合下节线的三维能带；（c）—自旋极化下和自旋轨道耦合下节线的二维能带变化；（d）—贝里曲率.

Fig.5 Energy bands of nodal line under different conditions and Berry curvature

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拓扑节线材料Fe₄C中反常热电效应的理论预测

Theoretical Prediction of Anomalous Thermoelectric Effects in Topological Nodal Line Material Fe₄C

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