丰田工业大学热电材料研究新突破

学校法人丰田学园丰田工业大学（校长：中野义昭，位于名古屋市天白区）能源材料研究室的松波雅治副教授及其研究团队（包括硕士二年级学生后藤大辉等人），与自然科学研究机构分子科学研究所极端紫外光研究设施的田中清尚副教授合作，首次成功利用角分辨光电子能谱技术（1），实现了对热电材料（2）性能优化中关键因素——电子散射影响的可视化观测。该研究为基于电子散射调控的材料设计提供了全新思路，有望推动热电转换技术的进一步发展并加速其在实际社会中的应用。该项成果已于2025年10月20日（日本时间）在线发表于美国物理联合会（AIP）出版的学术期刊《Applied Physics Letters》。

核心成果亮点

热电材料性能提升虽已知与电子散射密切相关，但长期以来缺乏实验手段直接探测电子散射信息。

本研究首次借助角分辨光电子能谱技术，成功捕捉到电子散射随能量的变化规律，并实验证实了近藤效应（*3）所引起的异常热电特性可由电子散射效应合理解释。

该方法具备广泛材料适用性，未来有望推动以电子散射机制为核心的高性能热电材料研发，加速热电转换技术的实际应用与产业化。

研究背景与意义
热电转换技术能够将废弃热能转化为电能，是一种极具潜力的节能手段。然而，要使其成为支撑社会与产业发展的核心能源技术，仍需进一步提高材料性能。传统上，热电材料的性能多基于状态密度（*4）的能量依赖性进行解释。然而近年研究发现，在某些高性能热电材料中，仅从状态密度角度难以全面理解其特性，而以往常被忽略的电子散射能量依赖性逐渐显示出关键作用。因此，通过调控电子散射有望实现热电材料性能的跨越式提升。然而，迄今为止，热电材料中电子散射能量依赖性的实验观测仍属空白，相关认识多停留在理论推测层面。

研究内容与突破
本研究选取因近藤效应而表现出异常热电特性的YbCu₂Si₂材料，利用角分辨光电子能谱对其电子行为进行了精细测量，成功分离出状态密度及电子散射相关信息。展示了实验获得的状态密度随能量变化的曲线，图2（b）则反映了表征电子散射强度的弛豫时间与能量的关系。弛豫时间反映了电子在发生散射前的平均自由运动时间，其变化揭示了电子的动态行为特征。

实验结果显示，状态密度曲线中可见由近藤效应引起的明显峰位，而弛豫时间则在该峰位对应的能量附近发生显著变化，并在趋近费米能级（*5）时呈现特定趋势。理论分析表明，要解释该材料的热电行为，需在费米能级附近具有正斜率（向右上升）的特性。状态密度曲线并不满足该条件，而中弛豫时间的变化趋势则恰好符合这一要求。由此证明，YbCu₂Si₂的异常热电特性无法通过传统的状态密度模型解释，其根源主要在于电子散射机制的主导作用。