中國教育在線
北(bei)京時間2025年1月(yue)3日，重慶(qing)大學(xue)(xue)(xue)前沿交叉(cha)學(xue)(xue)(xue)科(ke)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院量子材料(liao)與(yu)器件(jian)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)中(zhong)心(xin)、材料(liao)科(ke)學(xue)(xue)(xue)與(yu)工程學(xue)(xue)(xue)院潘(pan)瑜教授(shou)在國(guo)際(ji)頂級(ji)期刊(kan)《自然(ran)材料(liao)》(Nature Materials)發表最新研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)成果。論(lun)文題(ti)目為(wei)《具有優異磁-熱電優值的Bi88Sb12拓撲(pu)絕緣體(ti)》(A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12 )。潘(pan)瑜教授(shou)為(wei)第一作(zuo)者(zhe)、通訊作(zuo)者(zhe)，重慶(qing)大學(xue)(xue)(xue)為(wei)第二(er)完(wan)成單位(wei)、通訊單位(wei)，德國(guo)馬普(pu)固(gu)體(ti)化(hua)學(xue)(xue)(xue)物理研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所為(wei)第一完(wan)成單位(wei)，合作(zuo)單位(wei)還包括馬普(pu)微(wei)結構(gou)物理研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所、重慶(qing)大學(xue)(xue)(xue)物理學(xue)(xue)(xue)院。
論文發表頁面
熱(re)電(dian)(dian)效(xiao)應可實(shi)(shi)現(xian)熱(re)能(neng)與電(dian)(dian)能(neng)的直接相互轉換，可用于深空探測(ce)器用電(dian)(dian)源(yuan)、余(yu)熱(re)回收發電(dian)(dian)、靜態精準(zhun)控溫(wen)(wen)等領(ling)域(yu)，對于實(shi)(shi)現(xian)我國“碳(tan)達峰、碳(tan)中和(he)”雙(shuang)碳(tan)目標具有重要(yao)意義。在過去二十年中，近室溫(wen)(wen)(~300K)和(he)高(gao)溫(wen)(wen)(>300K)熱(re)電(dian)(dian)性(xing)能(neng)獲(huo)得顯(xian)(xian)著(zhu)增強，然而大幅提升低(di)溫(wen)(wen)(<;300K)熱(re)電(dian)(dian)性(xing)能(neng)仍然面臨巨大挑戰。近年來(lai)，拓撲材料的興起及(ji)其(qi)顯(xian)(xian)著(zhu)磁場響應特性(xing)為發現(xian)優異低(di)溫(wen)(wen)熱(re)電(dian)(dian)材料帶來(lai)了新的機遇。本研究(jiu)聚焦(jiao)Bi1-xSbx拓撲材料，發現(xian)Bi88Sb12單晶樣(yang)品(pin)在0.7T的低(di)磁場下即(ji)展現(xian)出顯(xian)(xian)著(zhu)增強的磁塞貝(bei)克熱(re)電(dian)(dian)效(xiao)應和(he)磁熱(re)電(dian)(dian)優值，最大磁熱(re)電(dian)(dian)優值在180K下達到1.7±0.2，顯(xian)(xian)著(zhu)高(gao)于其(qi)他低(di)溫(wen)(wen)熱(re)電(dian)(dian)材料。
研(yan)究(jiu)發現(xian)，高質(zhi)量單(dan)晶(jing)(jing)對(dui)(dui)于(yu)獲(huo)(huo)得(de)(de)優異的(de)磁(ci)(ci)熱(re)(re)電響(xiang)應(ying)(ying)十分(fen)重要(yao)。Bi1-xSbx體系(xi)的(de)單(dan)晶(jing)(jing)生長極具(ju)挑戰，這(zhe)是(shi)因(yin)為，Bi與Sb在(zai)任意比(bi)例(li)可形成固(gu)溶體且具(ju)有(you)非(fei)(fei)常大的(de)偏析系(xi)數，利用傳統(tong)單(dan)晶(jing)(jing)生長方法難以獲(huo)(huo)得(de)(de)成分(fen)均(jun)一的(de)高質(zhi)量單(dan)晶(jing)(jing)樣(yang)品。針對(dui)(dui)此(ci)問(wen)題，本研(yan)究(jiu)采用實(shi)驗(yan)室自(zi)搭建的(de)水平區熔爐，精細(xi)控制(zhi)原料純度(du)、組分(fen)以及區熔速率(lv)，獲(huo)(huo)得(de)(de)了(le)高質(zhi)量單(dan)晶(jing)(jing)樣(yang)品。測試表明(ming)，樣(yang)品在(zai)80K時(shi)表現(xian)出約1017cm-3的(de)載流子(zi)濃度(du)和(he)高于(yu)4×105cm2/Vs的(de)遷移率(lv)，磁(ci)(ci)塞(sai)貝(bei)克(ke)系(xi)數顯著(zhu)增(zeng)強(qiang)，在(zai)0.7T低磁(ci)(ci)場(chang)下磁(ci)(ci)熱(re)(re)電優值(zhi)(zT)獲(huo)(huo)得(de)(de)了(le)近3倍的(de)提升。結合實(shi)驗(yan)與理論分(fen)析，本研(yan)究(jiu)深入研(yan)究(jiu)了(le)Bi88Sb12體系(xi)優異磁(ci)(ci)熱(re)(re)電性能的(de)起源機制(zhi)。理論指出，磁(ci)(ci)場(chang)增(zeng)強(qiang)的(de)塞(sai)貝(bei)克(ke)效應(ying)(ying)與拓撲材料的(de)線(xian)性色散能帶(dai)(dai)、回旋頻率(lv)和(he)費米(mi)能級等密切相關。Bi88Sb12的(de)磁(ci)(ci)場(chang)增(zeng)強(qiang)塞(sai)貝(bei)克(ke)效應(ying)(ying)正是(shi)得(de)(de)益于(yu)該體系(xi)的(de)狄拉克(ke)線(xian)性色散能帶(dai)(dai)。與此(ci)同時(shi)，該體系(xi)具(ju)有(you)極小(xiao)的(de)能帶(dai)(dai)有(you)效質(zhi)量和(he)極大的(de)Lande g-因(yin)子(zi)，使得(de)(de)其在(zai)磁(ci)(ci)場(chang)下能帶(dai)(dai)發生明(ming)顯的(de)劈裂，由此(ci)引起費米(mi)能級在(zai)非(fei)(fei)簡并(bing)劈裂能帶(dai)(dai)中的(de)變化，并(bing)最終(zhong)影(ying)響(xiang)磁(ci)(ci)塞(sai)貝(bei)克(ke)效應(ying)(ying)。
圖1 (a) 晶(jing)體結構與(yu)單晶(jing)照(zhao)片，(b)遷移率與(yu)載流子濃度，(c)費米面(mian)分布與(yu)能帶劈裂示意圖，(d)磁-塞貝克系數，(e)zT值，(f)最佳(jia)磁場(chang)與(yu)溫度的(de)依(yi)賴關系。
此(ci)(ci)(ci)外，通過對比此(ci)(ci)(ci)前報道的(de)(de)(de)最(zui)優磁熱(re)(re)電(dian)性能，本研究進一步(bu)修正(zheng)了最(zui)優磁場(chang)(chang)(chang)(即獲(huo)得zT峰(feng)值的(de)(de)(de)磁場(chang)(chang)(chang))與溫(wen)度(du)(即獲(huo)得zT峰(feng)值的(de)(de)(de)溫(wen)度(du))的(de)(de)(de)依賴關系，指出(chu)最(zui)優磁場(chang)(chang)(chang)隨溫(wen)度(du)降低(di)而顯(xian)著降低(di)。例(li)如，此(ci)(ci)(ci)前報道的(de)(de)(de)zT峰(feng)值(zT=1.28)于220K、1.7T條件下獲(huo)得，而本工作zT峰(feng)值(zT=1.7±0.2)于180K獲(huo)得，僅需對樣品施加0.7T的(de)(de)(de)低(di)磁場(chang)(chang)(chang)。大幅(fu)提(ti)升的(de)(de)(de)熱(re)(re)電(dian)性能以(yi)及顯(xian)著降低(di)的(de)(de)(de)外磁場(chang)(chang)(chang)對于實際應(ying)用具(ju)有重要意義(yi)，尤其將外磁場(chang)(chang)(chang)降低(di)至永磁體可滿足的(de)(de)(de)低(di)場(chang)(chang)(chang)范圍。
論文鏈接：//www.nature.com/articles/s41563-024-02059-9
① 凡本(ben)站注(zhu)明“稿件來(lai)源(yuan)(yuan)：中(zhong)國教育在線”的所有文字(zi)、圖片和(he)音視頻稿件，版權均屬本(ben)網(wang)(wang)所有，任(ren)何媒體、網(wang)(wang)站或(huo)個人(ren)未經本(ben)網(wang)(wang)協議授權不得轉(zhuan)載、鏈接、轉(zhuan)貼或(huo)以其他(ta)方式復制發表。已(yi)經本(ben)站協議授權的媒體、網(wang)(wang)站，在下載使用時必須注(zhu)明“稿件來(lai)源(yuan)(yuan)：中(zhong)國教育在線”，違者本(ben)站將依法追究責任(ren)。
② 本(ben)站(zhan)注明稿(gao)件來源為(wei)其他媒體的(de)(de)文/圖等(deng)稿(gao)件均為(wei)轉載(zai)稿(gao)，本(ben)站(zhan)轉載(zai)出于非商(shang)業(ye)性(xing)的(de)(de)教育和(he)科(ke)研(yan)之(zhi)目(mu)的(de)(de)，并不意味著贊(zan)同其觀點或證實(shi)其內容的(de)(de)真(zhen)實(shi)性(xing)。如(ru)轉載(zai)稿(gao)涉及版權等(deng)問題(ti)，請作(zuo)者在(zai)兩周內速來電或來函聯系。