Nat. Commun. 石墨烯纳米结构中的大横向热电效应

研究背景

横向热电效应让温度梯度与热电势在空间上分开，天然适配平面片上测热与取能；但普通能斯特效应要靠强磁场，各向异性热电势与拓扑磁体的反常能斯特效应又受磁性或低温限制，零场室温下报道的最高横向塞贝克系数只有约 6.5 μV K^-1，ABA 三层石墨烯的斜散射在 12 K 以上便消失。本文改用器件几何：在 h-BN/石墨烯/h-BN 三明治上刻出四端弹道整流结构，中心放置三角形不对称散射体，让热驱动的载流子在弹道区被几何整流成横向电压。该成果以“Large transverse thermoelectric effect in graphene nanostructures”为题发表在 Nat. Commun.，通讯作者为 Zihao Zhang、Tao He、Yuxiang Li、Aimin Song 与 Jiawei Zhang。

制备方法与样品信息

石墨烯与 h-BN 由机械剥离得到，经干法转移叠成 h-BN/石墨烯/h-BN 异质结；电子束曝光后用 CHF₃ 与 O₂ 刻出四端弹道整流几何，中心三角散射体两侧各留 110 nm 收窄，Cr/Au 电极厚 3 与 80 nm；左侧蛇形加热条长 60 μm，远大于 5 μm 的器件尺度，保证沿漏源方向建立水平温度梯度；另做霍尔条测得室温平均自由路径为电子 0.530 μm、空穴 0.470 μm，与缝到散射体的距离相当；温差由专用标定器件读出，5 至 15 mA 加热电流对应 0.075 至 0.450 K，即约 12.5 至 75.0 K mm^-1。

关键结果：几何不对称散射给出的零场横向热电压

1. 室温零场下横向系数提高约三倍。 电子与空穴的纵向塞贝克系数分别为 202.4 与 188.2 μV K^-1，横向塞贝克系数为 27.9 与 24.7 μV K^-1；横向功率因子在电子侧达 35.8、空穴侧为 27.7 μW cm^-1 K^-2，比同类零场器件高一个量级；峰値比 V_y/V_x 为 13.6% 与 13.3%。

2. 极性由几何决定而不随温度梯度反转。 换成另一侧加热器后纵向电压反号，横向电压不变；静电力显微镜线扫显示横向电势主要在 UL 端生成；去掉散射体的器件零场输出接近零，加磁场才出现对称的 M 形能斯特响应；菱形对称散射体输出明显减弱；缝与散射体的距离一旦超过平均自由路径，信号几乎消失。

3. 能量过滤解释了量级。 110 nm 缝的量子限域把横向波矢限制为离散值，阈值 E_th 由 √2 ħv_F π 除以缝宽给出；夹角约 45° 时高能载流子沿纵向前进并被三角散射体导向 L 端，低能载流子则以等概率分向 U 与 L；用多端 Büttiker–Landauer 形式算得 V_y/V_x 约 13.8%，与实测 13.6% 接近；50 K 以下的周期振荡对应弹道通道的量子化。

4. 响应快且可串联放大。 上升与下降时间分别为 43 与 95 μs，可跟踪动态热斑；两个器件热并联、电串联后输出接近单个的两倍，而纵向塞贝克系数不随串并联改变。

图1 器件结构与平均自由路径。（a）石墨烯横向热电器件示意，U、L、D、S 为四个端子，I_heat 为加热电流；（b）器件光学显微像；（c）有源区原子力显微像；（d）不同偏压 U–L 之间的转移特性，电流随栅致载流子密度变化。

图2 横向热电器件的热电表征。（a）（b）纵向与横向塞贝克系数随载流子密度的变化，插图给出峰値；（c）峰值横向电压与纵向电压的线性关系及比值；（d）横向功率因子随载流子密度变化；（e）（f）与已报道零场横向热电材料的温度依赖与室温性能对比。

图3 机制验证。（a）左右加热器产生反向温度梯度的测量构型；（b）两种加热方向下的横向与纵向输出对比，纵向反号而横向不变；（c）有源区 AFM 像；（d）（e）热源在左与在右时的静电力显微像；（f）对应线扫；（g）加磁场的测量构型；（h）（i）三角散射体器件与无散射体器件的磁场依赖输出，插图为空穴的弹道路径示意。

图4 几类横向热电机制的定位。以时间反演对称破缺与空间反演破缺或几何不对称为两条轴，把能斯特效应、反常能斯特效应、ABA 石墨烯的斜散射非线性能斯特效应与本工作的弹道横向热电效应分置四象限，并标出各自是否需要磁场以及线性或非线性关系。

图5 弹道横向热电的理论模型。（a）器件俯视示意；（b）高能与低能载流子的波矢分解，横向分量固定、总波矢随能量增大；（c）不同温度下横向输出随载流子密度的变化；（d）（e）室温与低温下理论曲线与实测的对比；（f）不同阈值下 V_y/V_x 的理论与实测值。

图6 应用与电压扩展。（a）芯片热流监测与余热回收示意；（b）瞬态响应，上升与下降时间分别为 43 与 95 μs；（c）不同温度梯度方向下的时间分辨输出；（d）双器件结构示意；（e）双器件的时间分辨输出；（f）单器件与双器件的输出对比。

结语

这项工作的横向热电压不靠磁场，也不靠磁性有序，而靠 110 nm 缝限域出的弹道通道与中心三角散射体的几何不对称：高能载流子被打向一侧，低能载流子均分两侧，遂在纵向温差下形成横向电压，室温横向塞贝克系数 27.9 μV K^-1、功率因子 35.8 μW cm^-1 K^-2，响应时间 43 μs；由于极性只由几何决定，温度梯度反复反转时输出不抵消，双器件串联即可把电压翻倍，给片上热流传感与动态余热回收提供了一种平面化方案。

论文信息

– 英文题名：Large transverse thermoelectric effect in graphene nanostructures

– 作者：Hecheng Han, Peng Guo, Chengyuan Wang, Yiming Wang, Zhuocheng Yan, Yilin Wang, Hu Li, Qian Xin, Dapeng Huang, Baoqing Zhang, Yaru Li, Bin Lu, Zihao Cheng, Yue Li, Zihao Zhang, Tao He, Yuxiang Li, Aimin Song, Jiawei Zhang

– 期刊：Nat. Commun.

– 发表日期：2026-11-03

– DOI：10.1038/s41467-026-78890-2