新型层状A2B3硫属化合物的设计与性能研究(4)
人类目前的现代化成果，主要得益于煤炭、石油、天然气等化石能源的消耗。但这类能源始终不能长久文持已有的现代化成果，若无新科技新能源的支持，不出百年，人类将陷入长期动荡，最终葬送数百年建立起来的现代化经济。另外，过量化石能源的开采，对当前的生态环境造成了巨大的破坏，水土流失、土地塌陷已经威胁到了人类的生命安全。因此，能源问题已然成为当今国际政治、经济、军事关注的焦点，这将直接关系到人类的生活环境和生存条件。抢占科技的制高点一定意义上取决于抢占能源的制高点。
取之不尽，用之不竭的能源来源越来越成为各国科研工作者共同的前进方向。风能、太阳能、生物质能、核聚变产能等新能源的初露头角，让很多人看到了希望。如何高效快捷的收集转化这类能源成为极有意义的研究方向，任何与之相关的课题都将受到各国科学家的青睐。
a.热电材料
热电材料是一类研究的较久且具有很高价值的功能材料。它能将热能和电能相互转化，可用来制造热电发电机或制冷器。这类材料来源于热电效应的发现。热电效应是由温差产生电压的转换，且是可逆的。一般来说热电效应由下面三个效应组成:①塞贝克效应（Seebeck effect）——如果电路回路材料由两种导体组成，令两个接触点具有不同温度，则回路中将出现电流，称之为热电流，相应的电动势称之为热电势，方向决定于温度梯度的方向。此效应的实质在于两种金属中的电子浓度及电子溢出功不同造成的接触电势差。②珀尔帖效应（Peltier effect）——当有电流通过不同导体组成的回路时，在导体的接头处会分别出现吸热或放热现象，取决于电流方向。③汤姆孙效应（Thomson effect）——一存在温度梯度的均匀导体，施加电压后，除了焦耳热,还会吸收或放出一定热量。正是这三种效应奠定了热电材料的基础。面对现实的能源危机和环境问题，新型热电材料的研究确是很好的突破口。
硫属化合物Sb2Te3基材料被认为是一类性能极佳的热电材料，其块体材料可由热压法、放电等离子体烧结、机械合金化法合成。J.J.Shen制备的Bi0.5Sb1.5Te3.0在室温下热电优值ZT可达0.9[4]。但是一般来说层状块体材料力学性能较差，如Bi2Te3拥有-Te-Bi-Te-Te-Bi-Te-层状结构，在Te-Te之间以范德瓦尔弱力结合，所以层状Bi2Te3材料在受力时Te-Te层易滑移变形，甚至断裂，使得该材料的应用范围大大降低。但幸运的是，从层状硫属化合物剥离或由其它方法制得的纳米层片，不仅力学性能更优，热电转换效率也大大提高。例如Masayuki Takashiri课题组通过闪蒸发制得的Bi0.4Sb1.6Te3.0薄膜，具有很好的晶体结构，测得其纵向热导率0.56 W/m•K-1，横向热导率1.05 W/m•K-1，横向电导率6.4×10-4,S/m，横向塞贝克系数236μV/K，室温下ZT值高达1[5]。实验表明，纳米薄层确实有利于提高热电性能。
b.拓扑绝缘体
按照导电性质的不同，材料一般分为导体、半导体、绝缘体。而事实上，人们发现根据电子态的拓扑性质不同这个标准，还能进一步划分出拓扑绝缘体。体内的带隙宽，是绝缘体，而表面是非简并的金属态，能穿越能隙的狄拉克型的电子态总是存在于表面。这一新颖独特的电子结构，取决于拓扑绝缘体能带的奇异拓扑性质。这样的导电边缘态在一定条件下是稳定存在的，比如时间反演对称性。拓扑绝缘体可以通过电子的自旋传递信息，这主要得益于不同自旋的导电电子运动方向相反。基于上述性质，拓扑绝缘体在量子计算机、自旋电子学、无能耗的电学输运等方面有很好的应用潜力。