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热电材料（Thermoelectric Materials）——能够实现电能与热能之间直接相互转化的材料，利用它们加以收集、转化废热，进而实现高效快捷的利用。同时，利用珀尔帖（Peltier）效应，也可以高效、方便的对大功率半导体激光器、集成电路以及红外探测和极低温的超导等方面器件进行制冷[1]（如图1.1所示）。
图1.1 热电材料及其应用
1.1.2 热电优值
热电材料的热电转化效率表征——热电优值ZT，公式为ZT = S2σT/κ。其中，S是塞贝克系数，σ是电导率，T是绝对温度，κ是热导率。一般来说，ZT系数越低，材料的热－电转换能力也就越差。研究表明，如果一种材料的热电优值大于3，那么它就存在着很大的应用价值。
遗憾的是，虽然热电材料诞生已将近两百年了，但是目前商用热电材料，例如碲化铅、碲化铋、硅锗合金等，它们的热电优值都是在1左右[2]。其中最主要的原因是决定ZT值的各个参数之间是相互制约的，不能单一地改变其中一个量而不影响其余参量。
1.1.3 热电材料的研究限制和前景
近年来，通过制备纳米薄膜、纳米线、超晶格结构甚至量子点等纳米热电材料（材料的尺度下降到几十纳米量级），热传导的声子将会被边界或缺陷散射，而电子输运不会受到太大的影响；这样，对于以声子为主要热能载流子的绝缘体，纳米结构的热导率将会大大地降低，如果此时再保持电导率不明显下降，就能大幅度地提高ZT值。
但是，即便如此，到目前为止的文献报道中，室温下ZT系数的最高值也只能达到2.4，尚未达到商业大规模的应用（ZT > 3）。此外，一般来说，在绝大多数的纳米结构中，声子散射对ZT值的提高起关键作用，包括量子点[3]、超晶格[4]、材料边界[5]对声子的非相干散射和周期性纳米声子晶体对声子的相干散射；而电子的量子限制效应对热电性能的改善不是很大，这限制了热电效率的进一步提升[6]。
如何有效地研究并加以利用低文体系电子的量子效应，已经成为热电研究领域下一步寻求的突破口和至关点。
1.2 拓扑绝缘体
1.2.1 拓扑绝缘体的定义与特征
我们知道，近几年在凝聚态物理领域一种新兴材料——拓扑绝缘体（Topological Insulator）（如图1.2所示）受到广泛关注，它不同于传统意义上的绝缘体和金属：其体材料是有能隙的绝缘体或半导体，而其表面是无能隙的金属态[7]。这种奇异的特性主要源于电子内禀的强“自旋－轨道”相互作用，形成了线性且自旋与动量满足特定手性关系的电子色散关系