摘要：拓扑材料是具有独特能带结构的材料，因其在凝聚态物理、热电学、自旋电子学等领域的潜在应用而成为研究热点。拓扑材料具备线性能带色散、小费米面、超高迁移率和稳健的拓扑态等优异性质，这使其在热电应用中具有巨大的潜力。然而，拓扑材料的热电性能仍面临着提高热电优值zT的挑
研究背景
拓扑材料是具有独特能带结构的材料，因其在凝聚态物理、热电学、自旋电子学等领域的潜在应用而成为研究热点。拓扑材料具备线性能带色散、小费米面、超高迁移率和稳健的拓扑态等优异性质，这使其在热电应用中具有巨大的潜力。然而，拓扑材料的热电性能仍面临着提高热电优值zT的挑战。热电优值zT主要依赖于塞贝克系数、热导率和电阻率等热电参数的协同优化，而这些参数通常是相互矛盾的。因此，如何在拓扑材料中实现高热电性能，特别是在低温范围内，仍然是一个亟待解决的科学问题。
成果简介
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等人携手在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。
Claudia Felser，德国固态化学专家，德国科学院院士、美国国家科学院外籍院士、美国国家工程院外籍院士，马克斯普朗克固体化学物理研究所所长。毕业于科隆大学，先后获得固体化学学士学位和物理化学博士学位。
Claudia Felser教授的研究主要集中在新型拓扑量子材料、磁性材料、热电材料、拓扑化学等前沿领域，并在相关领域享有重要的国际影响力与声望。她获得了多个重要的国际奖项，包括2019年APS James C. McGroddy新材料奖、2022年德国物理学会与英国皇家物理学会联合颁发的Max Born奖章等。
本文中，研究者们提出了磁热电效应作为一种新的策略来优化热电性能。具体来说，拓扑材料在磁场作用下，能够显著提高塞贝克系数，同时降低热导率，从而在较低温度下实现高热电优值。近年来，Bi1–xSbx合金等拓扑材料因其狄拉克带色散和小费米面特性，成为研究磁热电效应的理想材料。然而，现有研究在300 K以下实现高zT值的报道较少，且多未能详细阐明其磁场和温度依赖性。
鉴于此，研究者们对Bi88Sb12拓扑绝缘体进行了深入研究，发现应用低磁场（如0.7 T）能够显著提升其热电优值，达到1.7 ± 0.2，且该效应在180 K时尤为明显。该研究不仅揭示了磁场对热电性能的巨大影响，还为低温热电应用提供了新的思路。
研究亮点
（1）实验首次在Bi88Sb12拓扑绝缘体中观察到显著的磁热电效应，得到了大约1.7 ± 0.2的磁热电优值（zT）在180 K和0.7 T的条件下。这一结果填补了低于300 K的高性能磁热电材料的空白，为低温热电应用提供了新机会。
（2）实验通过施加低磁场（小于1 T），大幅提高了Bi88Sb12的zT值。这一提升主要得益于增强的磁塞贝克系数和降低的磁热导率，这两者协同作用克服了磁电阻效应，从而提升了热电性能。理论分析表明，磁塞贝克系数与回旋频率的能量依赖性及泽曼分裂引起的费米能级变化密切相关。
（3）通过对该拓扑材料的热电输运性质和温度依赖性的研究，发现该材料在低温范围内表现出优异的热电性能。其高迁移率和狄拉克带色散有助于实现强的磁热电效应。
图文解读
图 1：Bi88Sb12拓扑绝缘体中的大磁zT效应
图 2：晶体结构和磁热电性质
图 3：热电输运性质的温度依赖性
图 4：Bi88Sb12的能带结构
结论展望
本文的研究为拓扑材料在热电应用中的潜力提供了新的思路，尤其是在低温领域。通过在低磁场下调节磁热电效应，成功实现了Bi88Sb12拓扑绝缘体的高磁zT值，揭示了磁塞贝克效应和热导率之间的复杂关系。研究表明，通过增强迁移率和优化费米能级，可以显著提高材料的热电性能，这为未来材料的设计和调控提供了指导。
此外，拓扑材料的线性带色散和强磁热电响应为热电学的发展打开了新的方向，尤其是在实现非饱和磁塞贝克效应的量子极限时，拓扑材料显示出了巨大的应用潜力。未来的研究可以通过孔掺杂等手段进一步优化p型Bi1–xSbx材料的热电性能，同时精准调控元素组成和纯度，为热电材料的高效应用提供更多可能性。这一发现不仅有助于低温热电应用的发展，也为磁热电效应的实现提供了新的路径，具有广阔的科研和工程应用前景。
文献信息
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
来源：华算科技
