撰稿 / 何郁庭（科推中心特約編輯）

審訂 / 黃信銘 副教授（國立中山大學物理系）

　　凝態物理與量子材料的領域中，尋找同時具備高效能熱電（Thermoelectric）轉換與獨特電子自旋輸運特性的奇異量子態，一直是近年科學界的核心焦點。由國立中山大學物理學系黃信銘副教授、楊弘敦講座教授與吳紘丞教授與成功大學、中央研究院、國家同步輻射研究中心合作，近期在《Physical Review Research》具影響力期刊發表最新研究成果。
　　本研究聚焦於兼具幾何阻挫磁體與外爾半金屬（Weyl semimetal）特性的層狀化合物Co₃Sn₂S₂，成功透過微量的鐵（Fe）與鎳（Ni）元素取代，經由實驗證實「能帶填充效應（Band-filling effects）」可以精準調控該材料的熱電性能與反常霍爾電導率（Anomalous Hall conductivity）。
 

擺脫剛性能帶假設的瓶頸
　　具籠目晶格（Kagome lattice）的Co₃Sn₂S₂，是一種已被實驗證實的磁性外爾半金屬。在低溫下，它展現出巨大的反常霍爾電導率（\(\sigma_{xy}^{A}\)）以及高達20%的反常霍爾角，其物理機制主要源自於動量空間中的貝里曲率（Berry curvature）所產生的內稟（Intrinsic）貢獻。
　　過去的理論與基於剛性能帶框架（Rigid band framework）的預測，普遍認為透過外部摻雜移動費米能階（E_F），無法進一步提升Co₃Sn₂S₂的反常霍爾電導率。另外，相較於對其磁性與拓樸電子結構的廣泛研究，學界過去對外爾半金屬材料熱電性質的研究仍相當匱乏，使其距離實際應用元件尚有一段距離。為了突破這一學術瓶頸，中山大學研究團隊大膽嘗試從實驗出發，透過固相反應與改良型布里奇曼法，精準製備出不同摻雜密度的(Co_1-yFe_y)₃Sn₂S₂與(Co_1-zNi_z)₃Sn₂S₂單晶與多晶樣品，期望藉由實際觀測能帶結構微觀變化，探究透過外加元素改變此類量子材料的拓樸物理特性與應用潛力。

圖1. (a)磁性外爾半金屬Co₃Sn₂S₂晶體結構與籠目晶格示意圖。(b)(c)(d) 純相的Co₃Sn₂S₂、摻鐵的(Co_0.95Fe_0.05)₃Sn₂S₂以及摻鎳的(Co_0.95Ni_0.05)₃Sn₂S₂單晶粉末後在室溫下測量的結果。本研究利用此具備幾何阻挫磁性化合物，證實能帶填充效應（Band-filling effects）可有效調控反常霍爾電導率與熱電性能。

鐵與鎳的雙向調控與微觀突破
　　研究團隊結合同步輻射高解析粉末X光繞射（SXRD）、X射線吸收光譜（XAS），以及角分辨光電子能譜（ARPES）等，解析摻雜後的微觀結構與電子能帶。XAS觀測證實，樣品中的鈷、鐵、鎳元素均處於零價氧化態。因為鐵的電子比鈷少，而鎳則比鈷多一個電子，所以鐵取代會減少多數自旋能帶的電子數，而鎳取代則會填充少數自旋能帶，電子的消長皆會破壞原有的交換分裂，進而削弱了整體材料的鐵磁性，導致居禮溫度（T_C）下降。
　　研究發現，鐵摻雜會引發能帶變寬、偽能隙（Pseudogap）變窄。在傳輸特性上，鐵取代透過強烈的歪斜散射（Skew scattering）顯著增加了反常霍爾電導率；鎳摻雜則使費米能階向上移動，伴隨能隙變窄，鎳透過內稟偏轉（Intrinsic deflection）機制伴隨微弱的歪斜散射來提升反常霍爾電導率。
　　另一方面，高解析SXRD呈現的結果顯示，鐵和鎳的取代分別對晶格常數的　c/a　比值產生相反的修正，研究團隊成功用磁致伸縮效應（Magnetostriction effect）解釋了兩者在磁各向異性與矯頑力調控上的本質差異。
　　此研究成功回應凝態物理中調控拓樸輸運性質的難題，提供了對外爾半金屬能帶填充效應的微觀理解，這意味著未來科學家有機會利用化學取代的方式，在特定溫度區間優化量子材料的能量轉換效率。

參考文獻
Chang, Y. H., Sun, P. J., Chen, H. J., Kakarla, D. C., Wang, P. C., Huang, S. M., ... & Wu, H. C. (2026). Tunable band-filling effects on thermoelectric properties and anomalous Hall conductivity in Weyl semimetal Co3Sn2S2. Physical Review Research, 8(1), 013215. DOI: 10.1103/71sm-3r2x