北京時(shí)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(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Materials》發(fā)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(yōu)異磁-熱電優(yōu)值的Bi88Sb12拓?fù)浣^緣體）。潘瑜為第一作者、通訊作者，重慶大學(xué)為第二完成單位、通訊單位，德國(guó)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。

熱電效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)熱能與電能的直接相互轉(zhuǎn)換，可用于深空探測(cè)器用電源、余熱回收發(fā)電、靜態(tài)精準(zhǔn)控溫等領(lǐng)域，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。在過(guò)去二十年中，近室溫（~300K）和高溫（>300K）熱電性能獲得顯著增強(qiáng)，然而大幅提升低溫（<300 K）熱電性能仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，拓?fù)洳牧系呐d起及其顯著磁場(chǎng)響應(yīng)特性為發(fā)現(xiàn)優(yōu)異低溫?zé)犭姴牧蠋?lái)了新的機(jī)遇。本研究聚焦Bi1-xSbx拓?fù)洳牧希l(fā)現(xiàn)Bi88Sb12單晶樣品在0.7T的低磁場(chǎng)下即展現(xiàn)出顯著增強(qiáng)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(dá)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(duì)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(zhǎng)極具挑戰(zhàn)，這是因?yàn)?，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(zhǎng)方法難以獲得成分均一的高質(zhì)量單晶樣品。針對(duì)此問(wèn)題，本研究采用實(shí)驗(yàn)室自搭建的水平區(qū)熔爐，精細(xì)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(cè)試表明，樣品在80K時(shí)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(qiáng)，在0.7T低磁場(chǎng)下磁熱電優(yōu)值（zT）獲得了近3倍的提升。結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(jī)制。理論指出，磁場(chǎng)增強(qiáng)的塞貝克效應(yīng)與拓?fù)洳牧系木€(xiàn)性色散能帶、回旋頻率和費(fèi)米能級(jí)等密切相關(guān)。Bi88Sb12的磁場(chǎng)增強(qiáng)塞貝克效應(yīng)正是得益于該體系的狄拉克線(xiàn)性色散能帶。與此同時(shí)，該體系具有極小的能帶有效質(zhì)量和極大的Landeg-因子，使得其在磁場(chǎng)下能帶發(fā)生明顯的劈裂，由此引起費(fèi)米能級(jí)在非簡(jiǎn)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(fèi)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(chǎng)與溫度的依賴(lài)關(guān)系。

此外，通過(guò)對(duì)比此前報(bào)道的最優(yōu)磁熱電性能，本研究進(jìn)一步修正了最優(yōu)磁場(chǎng)（即獲得zT峰值的磁場(chǎng)）與溫度（即獲得zT峰值的溫度）的依賴(lài)關(guān)系，指出最優(yōu)磁場(chǎng)隨溫度降低而顯著降低。例如，此前報(bào)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(duì)樣品施加0.7T的低磁場(chǎng)。大幅提升的熱電性能以及顯著降低的外磁場(chǎng)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，尤其將外磁場(chǎng)降低至永磁體可滿(mǎn)足的低場(chǎng)范圍。

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

作者簡(jiǎn)介：潘瑜，國(guó)家級(jí)青年人才、重慶大學(xué)“弘深優(yōu)秀學(xué)者”，現(xiàn)任重慶大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院、材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博導(dǎo)（個(gè)人主頁(yè)：http://www.cmse.cqu.edu.cn/info/1631/8964.htm）。曾任德國(guó)馬普所固體化學(xué)物理研究所拓?fù)渑c熱電課題組長(zhǎng)，2013-2018年于清華大學(xué)材料學(xué)院獲得博士學(xué)位，2009-2013年于華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位。主要研究領(lǐng)域?yàn)闊犭娔茉床牧?、拓?fù)淞孔硬牧?，以第一作?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(guó)際期刊上發(fā)表論文10余篇，被引用2800余次，H指數(shù)27。應(yīng)邀為Elsevier出版《Thermoelectric Energy Conversion: Theories and Mechanisms, Materials, Devices, and Applications》專(zhuān)著撰寫(xiě)部分章節(jié)。擔(dān)任Nature, Science等20余種期刊審稿人，擔(dān)任加拿大自然科學(xué)與工程研究會(huì)（NSERC）和德國(guó)研究基金會(huì)（DFG）相關(guān)科研項(xiàng)目評(píng)審人。曾獲得2023年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第三）、2023年度國(guó)際熱電學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士后（全球每年僅1名）、德國(guó)“洪堡學(xué)者”、國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生等獎(jiǎng)勵(lì)或榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。

來(lái)源：前沿交叉學(xué)科研究院

作者：陳秋