她，马普所所长，今年首篇Nature Materials！
米测MeLab
2025-01-08
研究背景
高热电性能通常通过协同优化两个甚至三个热电参数来实现，而这些参数通常是相互矛盾的。为了解决这一问题，马普固体化学物理研究所所长Claudia Felser教授、以及Yu Pan合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12”的最新论文。本文展示了利用磁热电相关性作为策略，在拓扑材料中实现增强的塞贝克系数和降低的热导率的同时提升。作者报告了在单晶Bi88Sb12拓扑绝缘体中，180K和0.7T下，获得了较大的磁塞贝克效应和高达1.7± 0.2的磁热电优值。这一结果填补了低于300K的高性能空白，并对低温热电应用具有良好的前景。较大的磁塞贝克响应归因于超高迁移率和狄拉克带的色散。低磁场下实现高热电性能的应用可以扩展到类似特征的快速出现的拓扑材料，因为它协同优化了热电参数。
研究亮点
（1）实验首次展示了在Bi88Sb12拓扑绝缘体中，通过应用小于1T的磁场，能够显著提高磁热电优值zT，达到1.7± 0.2，在180K和0.7T时表现最佳。
（2）实验通过增强磁塞贝克系数和降低磁热导率，克服了磁电阻效应，从而实现了热电性能的显著提升。该方法的成功使得低磁场下高热电性能的实现成为可能，并对低温热电应用提供了新的技术路径。
（3）理论分析表明，磁塞贝克系数与回旋频率的能量依赖性及由于泽曼分裂导致的费米能级变化密切相关。
图文解读
图 1：Bi88Sb12拓扑绝缘体中的大磁zT效应
结论展望
本文系统研究了高质量单晶Bi88Sb12拓扑绝缘体的磁热电输运性质。由于超高的迁移率和线性带色散，观察到较大的磁塞贝克效应，这导致在低至1T的磁场下获得了较高的磁zT值。随着磁热导率的降低，在180K和0.7T时实现了约1.7±0.2的zT值。如此高的zT值，尤其是在300K以下，十分罕见；磁热电相关性作为一种有效的策略，能够协同调节热电参数。对于实际应用，拥有p型热电材料以补充n型晶体也至关重要。未来的研究应探索通过孔掺杂来实现p型Bi1–xSbx，因为Bi1–xSbx体系的孔兜结构高度分散，预示着较大的磁热电响应。对于未来的研究，作者认为精准调节组成和元素纯度以控制迁移率和费米能级至关重要，这不仅适用于当前的Bi1–xSbx体系，也适用于其他潜在材料。对于Bi1–xSbx体系，费米能级对电子和孔的补偿行为有强烈影响，对于减少磁电阻至关重要。可以考虑的策略包括使用高质量的原料Bi和Sb元素，避免杂质掺杂，仔细去氧化和预区熔化原料Bi，以尽可能降低杂质密度，并通过百万分之一级的掺杂精细调节费米能级。最重要的是，由于强大的磁热电响应得益于超高的迁移率和线性带色散，表现出这些特征的新兴拓扑材料为热电学进展提供了一个有趣的平台，采用磁热电相关性策略甚至可以在达到量子极限时实现非饱和磁塞贝克效应。Pan, Y., He, B., Feng, X. et al. A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12. Nat. Mater. 24, 76–82 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02059-9
