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

論文發(fā)表頁面

　　熱電效應(yīng)可實現(xiàn)熱能與電能的直接相互轉(zhuǎn)換，可用于深空探測器用電源、余熱回收發(fā)電、靜態(tài)精準(zhǔn)控溫等領(lǐng)域，對于實現(xiàn)我國“碳達峰、碳中和”雙碳目標(biāo)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(<300K)熱電性能仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。近年來，拓撲材料的興起及其顯著磁場響應(yīng)特性為發(fā)現(xiàn)優(yōu)異低溫?zé)犭姴牧蠋砹诵碌臋C遇。本研究聚焦Bi1-xSbx拓撲材料，發(fā)現(xiàn)Bi88Sb12單晶樣品在0.7T的低磁場下即展現(xiàn)出顯著增強的磁塞貝克熱電效應(yīng)和磁熱電優(yōu)值，最大磁熱電優(yōu)值在180K下達到1.7±0.2，顯著高于其他低溫?zé)犭姴牧稀?/p>

　　研究發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)量單晶對于獲得優(yōu)異的磁熱電響應(yīng)十分重要。Bi1-xSbx體系的單晶生長極具挑戰(zhàn)，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(shù)，利用傳統(tǒng)單晶生長方法難以獲得成分均一的高質(zhì)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(qū)熔爐，精細控制原料純度、組分以及區(qū)熔速率，獲得了高質(zhì)量單晶樣品。測試表明，樣品在80K時表現(xiàn)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(shù)顯著增強，在0.7T低磁場下磁熱電優(yōu)值(zT)獲得了近3倍的提升。結(jié)合實驗與理論分析，本研究深入研究了Bi88Sb12體系優(yōu)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(yīng)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(guān)。Bi88Sb12的磁場增強塞貝克效應(yīng)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(zhì)量和極大的Lande g-因子，使得其在磁場下能帶發(fā)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(yīng)。

圖1 (a) 晶體結(jié)構(gòu)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(shù)，(e)zT值，(f)最佳磁場與溫度的依賴關(guān)系。

　　此外，通過對比此前報道的最優(yōu)磁熱電性能，本研究進一步修正了最優(yōu)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(guān)系，指出最優(yōu)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(yīng)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：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02059-9