《天然资料》发文！重庆大学资料科学再出重磅效果

liukang20242周前 (05-16)吃瓜热门281

北京时间2025年1月3日，重庆大学前沿交叉学科研讨院量子资料与器材研讨中心、资料科学与工程学院潘瑜教授在世界尖端期刊《天然资料》（Nature Materials）宣布最新研讨成果。论文标题为《具有优异磁-热电优值的Bi88Sb12拓扑绝缘体》（A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12）。潘瑜教授为榜首作者、通讯作者，重庆大学为第二完结单位、通讯单位，德国马普固体化学物理研讨所为榜首完结单位，合作单位还包含马普微结构物理研讨所、重庆大学物理学院。

论文宣布页面

热电效应可完成热能与电能的直接彼此转化，可用于深空勘探器用电源、余热收回发电、静态精准控温等范畴，关于完成我国“碳达峰、碳中和”双碳方针具有重要意义。在曩昔二十年中，近室温（~300 K）和高温（> 300 K）热电功能取得显着增强，但是大幅提高低温（< 300 K）热电功能依然面对巨大应战。近年来，拓扑资料的鼓起及其显着磁场呼应特性为发现优异低温热电资料带来了新的机会。本研讨聚集Bi1-xSbx拓扑资料，发现Bi88Sb12单晶样品在0.7 T的低磁场下即展现出显着增强的磁塞贝克热电效应和磁热电优值，最大磁热电优值在180 K下到达1.7±0.2，显着高于其他低温热电资料。

研讨发现，高质量单晶关于取得优异的磁热电呼应十分重要。Bi1-xSbx系统的单晶成长极具应战，这是由于，Bi与Sb在恣意份额可构成固溶体且具有非常大的偏析系数，使用传统单晶成长办法难以取得成分均一的高质量单晶样品。针对此问题，本研讨选用试验室自建立的水平区熔炉，精密操控质料纯度、组分以及区熔速率，取得了高质量单晶样品。测验标明，样品在80 K时表现出约1017 cm-3的载流子浓度和高于4×105 cm2/Vs的迁移率，磁塞贝克系数显着增强，在0.7 T低磁场下磁热电优值（zT）取得了近3倍的提高。结合试验与理论剖析，本研讨深入研讨了Bi88Sb12系统优异磁热电功能的来历机制。理论指出，磁场增强的塞贝克效应与拓扑资料的线性色散能带、回旋频率和费米能级等密切相关。Bi88Sb12的磁场增强塞贝克效应正是得益于该系统的狄拉克线性色散能带。与此同时，该系统具有极小的能带有用质量和极大的Lande g-因子，使得其在磁场下能带产生显着的劈裂，由此引起费米能级在非简并劈裂能带中的改变，并终究影响磁塞贝克效应。

图1 (a) 晶体结构与单晶相片，（b）迁移率与载流子浓度，（c）费米面散布与能带劈裂示意图，（d）磁-塞贝克系数，（e）zT值，（f）最佳磁场与温度的依靠联系。

此外，经过比照此前报导的最优磁热电功能，本研讨进一步批改了最优磁场（即取得zT峰值的磁场）与温度（即取得zT峰值的温度）的依靠联系，指出最优磁场随温度下降而显着下降。例如，此前报导的zT峰值（zT = 1.28）于220 K、1.7 T条件下取得，而本作业zT峰值（zT = 1.7 ± 0.2）于180 K取得，仅需对样品施加0.7 T的低磁场。大幅提高的热电功能以及显着下降的外磁场关于实践使用具有重要意义，特别将外磁场下降至永磁体可满意的低场规模。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02059-9

作者简介

潘瑜教授为国家级青年人才、重庆大学“弘深优异学者”，现任重庆大学前沿交叉学科研讨院、资料科学与工程学院教授、博导（个人主页：http://www.cmse.cqu.edu.cn/info/1631/8964.htm）。曾任德国马普所固体化学物理研讨所拓扑与热电课题组长，2013-2018年于清华大学资料学院取得博士学位，2009-2013年于华中科技大学资料科学与工程学院取得学士学位。首要研讨范畴为热电动力资料、拓扑量子资料，以榜首作者/通讯作者身份在Nat. Mater.（2篇）， Nat. Commun. （2篇）， Adv. Mater. （2篇），Energy Environ. Sci. （2篇）等世界期刊上宣布论文10余篇，被引证2800余次，H指数27。应邀为Elsevier出书《Thermoelectric Energy Conversion: Theories and Mechanisms, Materials, Devices, and Applications》专著编撰部分章节。担任Nature、Science等20余种期刊审稿人，担任加拿大天然科学与工程研讨会（NSERC）和德国研讨基金会（DFG）相关科研项目评定人。曾取得2023年度北京市科学技术奖二等奖（排名第三）、2023年度世界热电学会优异博士后（全球每年仅1名）、德国“洪堡学者”、国家奖学金、北京市优异毕业生等奖赏或荣誉称号。