2022年10月27日，量子材料与器件研究中心主任、中国科学技术大学陈仙辉教授，量子中心副主任、物理学院周小元教授，量子中心、材料学院王国玉教授合作在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“磁性外尔半金属TbPtBi中大的磁横向和纵向热电效应”(Large magneto-transverse and longitudinal thermoelectric effects in the magnetic Weyl semimetal TbPtBi)的研究论文。量子中心博士后王洪辉为第一作者，陈仙辉教授、周小元教授和王国玉教授为共同通讯作者。
热电材料是通过无污染的过程实现电能与热能的相互转换的功能材料，它的出现为解决能源紧缺和环境污染提供了广阔的应用前景。目前，热电材料的研究主要集中在优化基于塞贝克/帕尔贴效应的窄带隙半导体纵向热电性能方面，基于此科学家们提出了诸多优化纵向热电性能的策略，主要包括能带工程和声子工程，从而推动了热电材料的迅速发展。然而，热电材料的热电性能仍无法达到大规模应用的要求。因此，探索热电新材料、新效应及新机制来提高热电转换效率成为一个亟待解决的问题。近期科学家们已经发现可通过引入内/外磁场进入热电材料可显著提高其性能,并预言该方法可能促使热电材料实现继能带工程和声子工程之后的第三次革新。
针对以上科学问题，研究团队关注了一种新型热电材料-磁性外尔半金属TbPtBi并对其磁热电性质进行了探究。研究发现，在磁性外尔半金属TbPtBi中可同时观测到大的磁横向和磁纵向热电系数及功率因子，其最大值分别达到214μV K-1（35μW cm-1 K-2）和251μV K-1（24μW cm-1 K-2），性能可与最先进的热电材料Bi2Te3媲美。研究团队结合莫特公式、线性响应方程及第一性原理计算、磁阻测量、平面霍尔测量和双带模型拟合，阐明了由拓扑能带诱导的大霍尔角对增强TbPtBi中横向热电系数和横向功率因子的重要作用；同时分析了温度依赖横向和纵向热电系数及电阻率，证明了双极化效应对增强横向热电系数和横向功率因子具有重要作用。通常情况下，磁性拓扑半金属由于磁和拓扑能带的相互作用促使其产生强的横向热电效应，而其纵向热电效应一般较弱。针对观测到TbPtBi存在大的磁纵向热电系数及功率因子，研究团队通过对比温度依赖的横向磁阻和纵向热电系数并结合线性响应方程，阐述了大的磁纵向热电系数和功率因子可能源于大的横向磁阻。
这项研究表明，TbPtBi是一种新的、热电性能可媲美典型热电材料的磁热电材料，因此研究拓扑半金属的磁热电性质具有重要的意义和潜在价值。
该研究得到了中国科技部重点研发项目、国家自然科学基金和博后基金等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202206941
