热电性能超过1962以来文献记录最高值，科学家提升拓扑材料低温热电性能，突破高水平热电性能对超导磁体的依赖

近日，重庆大学 潘瑜 教授和合作者首次在低温（~180K）下实现了高达 1.7±0.2 的热电优值，其在液氮温度附近到室温的宽温区（100K–300K）均可表现出 1 以上的磁热电优值，这为低温热电制冷技术带来了全新的机遇。

值得注意的是，上一个实现 1 以上磁热电优值的论文成果依旧停留在 60 年前。同时，她和合作者进一步明确了最优热电性能所需的外磁场与温度的依赖关系。

通过对比此前成果，潘瑜等人发现最高热电优值所需的外磁场随温度降低而显著降低，而本次成果中 180K 以下的优异热电优值所需磁场仅为 0.7 特斯拉。 这表明在低温条件下，有望通过永磁体实现显著增强的磁热电性能，也意味着拓扑材料的磁场增强热电性能对于低温热电制冷领域具有重大潜力。

此外，基于拓扑材料的狄拉克能带分布和磁场下电子回旋频率以及能带结构的变化，潘瑜和合作者在本次研究中阐释了磁场增强拓扑材料塞贝克效应的物理机制。

理论分析结果显示：在本次体系之中，线性色散能带结构、高迁移率以及磁场下能带塞曼劈裂效应，对于实现磁场增强塞贝克效应具有重要作用。

图 | 潘瑜（来源：潘瑜）

在应用前景上，热电技术可以实现热能和电能的相互直接转换，在温差发电、固态制冷和控温等领域具有重要应用价值，并且具有无运动部件、无噪声、可靠性高、响应快等优点。

潘瑜 表示，本次研究聚焦于高迁移率拓扑材料，其利用外磁场获得了低温热电性能的大幅提升，实现了 300K 以下的优异热电性能，同时所需要的磁场小于 1 特斯拉，这突破了此前拓扑材料高水平热电性能对于大磁场特别是超导磁体的依赖。 因此，该成果在固态低温热电制冷及控温领域具有应用前景。

（来源： Nature Materials ）

种下一颗“拓扑”的兴趣种子

从 2013 年读博时起，潘瑜开始研究热电材料。其博士课题主要围绕碲化铋（ Bi ₂ Te ₃ ）这一热电材料体系展开。该材料体系是室温附近最经典的热电材料，后被学界证明是拓扑绝缘体。

自那时起，潘瑜心里就种下一颗“拓扑”的兴趣种子。2018 年博士毕业之后，潘瑜开始在博士后阶段深入探索拓扑材料的热电输运特性。 来到新的实验室之后，潘瑜进一步发现拓扑材料研究在凝聚态物理领域受到高度关注。

2018 年，来自中国科学技术大学的研究人员发现磁场可以将 Cd ₃ As ₂ 拓扑半金属的热电优值提升 6 倍。同年，来自美国麻省理工学院的研究人员在一篇理论论文中指出，拓扑半金属中可以实现不饱和磁塞贝克效应。

这些研究极大激发了潘瑜的研究兴趣。然而，这些成果所需要的磁场都较大，远远超过永磁体能够满足的范围，以至于限制了它们的应用价值。

为了大幅提升低磁场下的热电性能，潘瑜开始着眼于一些具有极高迁移率和显著磁响应热电性能的拓扑半金属材料，以及具有反常热电输运行为的磁性拓扑半金属材料。

期间， 潘瑜 尝试过不少新兴拓扑半金属体系，发现拓扑半金属具有非常好的横向热电性能，包括常规能斯特热电效应和反常能斯特效应。

然而，由于拓扑半金属天然存在电子、空穴两种载流子，使得大多数拓扑半金属的塞贝克热电势不高。

因此，是否能够将拓扑半金属的相应理论应用到拓扑绝缘体中，同时利用拓扑绝缘体超高迁移率和单一载流子传输特性，从而实现低磁场下热电性能的显著提升，便成为她开展本次研究的出发点。而 Bi ₈₈ Sb ₁₂ 作为首个拓扑绝缘体与低温热电材料，也很自然地成为本次研究的重点关注体系。

（来源： Nature Materials ）

热电性能超过 1962 年文献最高值

如前所述，早在 1960 年代已有论文报道 Bi ₈₈ Sb ₁₂ 合金的优异热电性能。但在后续该体系，却并没有像 Bi ₂ Te ₃ 等经典材料一样在热电领域获得持续和广泛的关注。

同时，早期文献中缺失了很多相关细节，导致磁场增强热电性能的机制依旧不甚清晰。此外，早期文献也未能将该材料的能带拓扑性质与磁热电输运行为联系起来。

因此，潘瑜定下本次课题的想法非常简单：即 Bi ₈₈ Sb ₁₂ 合金作为一个经典体系其具有极高的迁移率，并且是首个三维拓扑绝缘体。

基于这个体系开展研究， 有望更好地理解能带的拓扑性质与特殊的热电输运性质之间的关联，从而为设计新材料体系提供思路。

但是，当潘瑜真正开始研究这个体系之后才发现，Bi 与 Sb 在任意比例之下都可以形成固溶体，并且具有非常大的偏析系数，因此利用一般的单晶生长方法很难生长出成分均一的高质量单晶，这就会导致无法得到理想的热电性能。

也就是说，制备高质量单晶成为本次研究的第一只拦路虎，中途潘瑜尝试过很多手段但都始终不得法。

后来，本次论文的合作者贺彬博士当时也在基于这一体系做研究，于是潘瑜和他一起合作，通过互相分享单晶生长的细节经验，终于生长出来高质量的单晶。

由于他们所生长的单晶是厘米级的长条状，因此需要将单晶切割为毫米级的长方体，以便用于输运性质的测试。

该体系具有显著的各向异性特点，其迁移率和热电性能均沿（111）晶相最高，所以需要沿此方向将单晶切割为一个长方体样品，以便用于输运性质的测试。

而单晶的解理面恰好为（111）面，这使得样品在切割过程中经常发生解离、断裂。后来经历多次失败之后，她才提高了样品准备的成功率。

测试阶段则算比较顺利，结果也很鼓舞人心。在第一个样品的输运测试结果中，她就看到了显著的磁响应塞贝克热电效应，同时迁移率也很高。

“我记得第一个样品的热电性能就超过了 1962 年的文献最高值，当时我很激动，不仅是因为获得了一个高性能，而是因为这表明该体系还有更多值得挖掘的内涵，并且磁热电性能还有望进一步提升。” 潘瑜 说。

（来源： Nature Materials ）

为了验证样品输运行为的可重复性，她和合作者又试过多次的单晶生长与测试。结果发现该体系的磁响应塞贝克效应基本可以重复，而磁阻却在样品之间存在较大波动。

基于此潘瑜等人认为：单晶的杂质浓度、费米能级位置等都会显著影响样品的磁阻效应。于是，他们又再次回到单晶生长，从原材料除杂质开始，试图获得更好的单晶质量。在不断尝试过程中，最终得到了论文中的实验结果。

日前，相关论文以《具有优异磁-热电优值的 Bi ₈₈ Sb ₁₂ 拓扑绝缘体》（ A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12 ）为题发在 Nature Materials [1]， 潘瑜 是第一作者兼共同通讯，德国马普固体化学物理研究所克劳迪亚·费尔瑟（ Claudia Felser ）教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文 （来源： Nature Materials ）

在未来计划上潘瑜将针对以下三个方面开展研究。

一是制备对应的 p-型材料：通过本次研究她发现了优异的 n-型材料，而 p-型材料从能带结构上亦存在线性色散的狄拉克能带，理论上有望获得显著的磁响应热电性能。

二是开展物理机制研究与新材料设计：本次研究证明在拓扑材料中可以通过低磁场实现热电性能的显著增强，证明了拓扑材料在热电领域的潜力，后续潘瑜希望能在更多的拓扑材料体系中探索优异的热电输运性能。 ‍

三是热电器件制备与热电转换效率探索：即其希望能够从器件制备的角度探索该体系的热电转换效率，推进该体系在热电领域的应用。

与此同时，她补充称近年来越来越多的研究表明，拓扑材料因其独特的能带结构表现出新奇的热电输运行为，包括本工作涉及的磁响应塞贝克热电效应、以及非磁性拓扑半金属的能斯特效应和磁性拓扑半金属的反常能斯特效应等，这引起了凝聚态物理领域与热电材料领域的关注，也很好地体现了物理与材料的学科交叉性。

“本次工作是我此前博士后工作的延续，现在我回到国内独立建组，我和团队将继续探索拓扑物理与热电领域的密切关系，期待做出更多有意义的工作。” 潘瑜 最后表示。