北京時間2025年1月3日，重慶大學前沿交叉學科研究院量子材料與器件研究中心、材料科學與工程學院潘瑜教授在國際頂級期刊《Nature Materials》發表最新研究成果。論文題目為“A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12 ”（具有優異磁-熱電優值的Bi88Sb12拓撲絕緣體）。潘瑜為第一作者、通訊作者，重慶大學為第二完成單位、通訊單位，德國馬普固體化學物理研究所為第一完成單位，合作單位還包括馬普微結構物理研究所、重慶大學物理學院。

熱電效應可實現熱能與電能的直接相互轉換，可用于深空探測器用電源、余熱回收發電、靜態精準控溫等領域，對于實現我國“碳達峰、碳中和”“雙碳”目標具有重要意義。在過去二十年中，近室溫（~300K）和高溫（>300K）熱電性能獲得顯著增強，然而大幅提升低溫（<300 K）熱電性能仍然面臨巨大挑戰。近年來，拓撲材料的興起及其顯著磁場響應特性為發現優異低溫熱電材料帶來了新的機遇。本研究聚焦Bi1-xSbx拓撲材料，發現Bi88Sb12單晶樣品在0.7T的低磁場下即展現出顯著增強的磁塞貝克熱電效應和磁熱電優值，最大磁熱電優值在180K下達到1.7±0.2，顯著高于其他低溫熱電材料。

研究發現，高質量單晶對于獲得優異的磁熱電響應十分重要。Bi1-xSbx體系的單晶生長極具挑戰，這是因為，Bi與Sb在任意比例可形成固溶體且具有非常大的偏析系數，利用傳統單晶生長方法難以獲得成分均一的高質量單晶樣品。針對此問題，本研究采用實驗室自搭建的水平區熔爐，精細控制原料純度、組分以及區熔速率，獲得了高質量單晶樣品。測試表明，樣品在80K時表現出約1017cm-3的載流子濃度和高于4×105cm2/Vs的遷移率，磁塞貝克系數顯著增強，在0.7T低磁場下磁熱電優值（zT）獲得了近3倍的提升。結合實驗與理論分析，本研究深入研究了Bi88Sb12體系優異磁熱電性能的起源機制。理論指出，磁場增強的塞貝克效應與拓撲材料的線性色散能帶、回旋頻率和費米能級等密切相關。Bi88Sb12的磁場增強塞貝克效應正是得益于該體系的狄拉克線性色散能帶。與此同時，該體系具有極小的能帶有效質量和極大的Landeg-因子，使得其在磁場下能帶發生明顯的劈裂，由此引起費米能級在非簡并劈裂能帶中的變化，并最終影響磁塞貝克效應。

圖1 (a) 晶體結構與單晶照片，（b）遷移率與載流子濃度，（c）費米面分布與能帶劈裂示意圖，（d）磁-塞貝克系數，（e）zT值，（f）最佳磁場與溫度的依賴關系。

此外，通過對比此前報道的最優磁熱電性能，本研究進一步修正了最優磁場（即獲得zT峰值的磁場）與溫度（即獲得zT峰值的溫度）的依賴關系，指出最優磁場隨溫度降低而顯著降低。例如，此前報道的zT峰值（zT=1.28）于220K、1.7T條件下獲得，而本工作zT峰值（zT= 1.7 ± 0.2）于180K獲得，僅需對樣品施加0.7T的低磁場。大幅提升的熱電性能以及顯著降低的外磁場對于實際應用具有重要意義，尤其將外磁場降低至永磁體可滿足的低場范圍。

論文鏈接為：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02059-9

作者簡介：潘瑜，國家級青年人才、重慶大學“弘深優秀學者”，現任重慶大學前沿交叉學科研究院、材料科學與工程學院教授、博導（個人主頁：http://www.cmse.cqu.edu.cn/info/1631/8964.htm）。曾任德國馬普所固體化學物理研究所拓撲與熱電課題組長，2013-2018年于清華大學材料學院獲得博士學位，2009-2013年于華中科技大學材料科學與工程學院獲得學士學位。主要研究領域為熱電能源材料、拓撲量子材料，以第一作者/通訊作者身份在Nat. Mater.（2篇）, Nat. Commun. （2篇）, Adv. Mater. （2篇）, Energy Environ. Sci. （2篇）等國際期刊上發表論文10余篇，被引用2800余次，H指數27。應邀為Elsevier出版《Thermoelectric Energy Conversion: Theories and Mechanisms, Materials, Devices, and Applications》專著撰寫部分章節。擔任Nature, Science等20余種期刊審稿人，擔任加拿大自然科學與工程研究會（NSERC）和德國研究基金會（DFG）相關科研項目評審人。曾獲得2023年度北京市科學技術獎二等獎（排名第三）、2023年度國際熱電學會優秀博士后（全球每年僅1名）、德國“洪堡學者”、國家獎學金、北京市優秀畢業生等獎勵或榮譽稱號。

來源：前沿交叉學科研究院

作者：陳秋