前言（节选）
能源与环境保护是关系到我国国民经济发展和国家安全的重大问题。当今世界，能源安全是各国国家安全的重要组成部分。作为世界最大的能源消费国，如何有效保障国家能源安全、有力保障国家经济社会发展，始终是我国能源发展的首要问题。世界正处于能源革命的浪潮中，本次能源革命的发展趋势主要呈现以下几个特点：①一次能源结构正处于高碳向低碳转变的进程；②新能源和可再生能源将成为未来世界能源结构低碳演变的重要方向；③电力将成为终端能源消费的主体；④能源技术创新将在能源革命中起决定性作用。
在现代社会中，随着用电设备的普及，人们对电力的需求与日俱增。目前我国电力供给主要依靠燃烧煤、油、天然气等一次石化能源，虽然一些提高发电效率与环保控制的技术正逐渐投入使用，但这样大规模的高温燃烧的发电手段依然不可避免地带来环境污染，释放大量的温室气体。
人类活动使得全球气候变暖已经成为人类不得不面对的问题，人们一直在积极寻找一种能够减缓或降低全球气温升高的技术。事实上，从工业革命开始到现在，人类消耗的化石能源使得地球温度升高了1℃左右，如果我们能够利用这1℃的温差所蕴含的巨大能量就可以获得持续的环保能源供给。2015年通过的《巴黎协定》的主要目标是将21世纪全球平均气温上升幅度控制在２℃以内，并将全球气温上升控制在前工业化时期气温之上1.5℃以内。
人类一直期望找到如同自然界一样取之不尽、用之不竭的能量来源。是否可以获得一项技术，在不需要提供额外能源的条件下，把地球表面无时不在、无所不在、取之不尽、用之不竭的超低品质的（温差小于25℃）环境热能直接转换为电能？如果有了这样的先进能源技术并规模化运用后，人类就能获得真正可持续、完全环保的绿色能源，并彻底摆脱对石化能源的依赖。利用环境热能发电还有一个非常重要的优势，就是可以从根本上解决目前世界上能源存在的不均衡性问题。目前所有的能源，无论是石油、天然气、水资源、核能、太阳能、风能等都存在一个根本性的问题，那就是能源分布不均衡。这些能源的分布不均曾经引起过无数的纷争甚至战争，给世界各国人民带来无数的灾难。唯有地球表面环境热能量的分布是无时不在、无所不在，而且完全免费的。物理学告诉我们，热能量是体积能量，某一特定质量的物体在没有相变的情况下，1℃（或1Ｋ）温差所含的热能量是完全一样的。如一个1kg的铁块，在40～41℃之间变化的热能量与其在-41～-40℃之间变化的热能量是完全一样的。如果能够利用温差发电就可以完全、彻底地解决能源分布不均这个世界难题！
传统热机是通过机械运动把热能转换为电能的，根据卡诺定律，传统热机必须在很大温差条件下（一般大于200℃甚至300℃）才能进行有效工作，获得较为经济的输出。目前，柴油/汽油机发电系统综合发电效率不到25％，而75％的能量作为废热白白浪费掉了。根据2018年中国统计年鉴，我国热电厂与核电厂综合发电效率为44.6％，大量的冷却水的出口温度为30～60℃，再加上其他工业废热，每年浪费的废热超过100个三峡大坝的年发电量（2018年三峡电站全年发电量为1016亿千瓦时，而三峡大坝1993年的建设成本将近1000亿元人民币）。此外，太阳能光伏发电仅仅利用了太阳能可见光谱的一部分能量，而约⅔的热能量不仅没有得到利用，还会因为提高光伏板的温度而降低发电效率。这些蕴含量巨大的超低品质的热能量，因为温差非常小，传统热机完全无法利用。
制约当前热电材料发展与应用的因素主要有两个：一是材料的热电转换效率较低，二是热电器件与装置成本高、规模化制造技术不成熟。近年来，热电材 料的研究主要集中在中高温范围（如PbTe、Cu２Se、half-Heusler、SnSe等），并取 得了较为显著的成果，而中低温区的热电材料研究缺乏，进展缓慢。近年来Bi２Te３、GeTe等低温热电材料体系的热电优值有所提高，但器件的效率仍然不高，经济性、可靠性和稳定性还较差，远不足以支撑未来温差发电技术的规模化、商业化应用。
热电材料的性能可以用热电优值ZT来表征。现阶段的理论预测和实验结果表明，二维超晶格、纳米复合材料能显著提升热电优值。当材料达到纳米尺度时，费米能级附近电子能态密度发生变化，对声子传输产生维度和尺寸限制及界面散射效应，增加了对热和电输运调控的自由度。因此，将材料低维化是提高热电性能的有效手段。
得益于现代先进加工技术和表征方法的进步，含有纳米结构成分的传统块状热电材料已经开发出来，并获得了高的ZT值。目前，对于热电材料的研究主要集中在两方面：一方面是含有纳米结构的块体热电材料，另一方面则是纳米热电材料。目前，最好的商用热电材料的ZT值只有1左右，转换效率只有5％～7％。因此，当热电材料的ZT值低于1时，转换效率很低；达到2时可以用于废热的回收利用；只有ZT值达到4或5时，才具备使冰箱制冷的能力。
通过控制不同维度可以设计热电材料，低维化的热电材料热电性能优异。热电材料低维化后，费米能级附近的状态密度会提高，载流子有效质量及塞贝克系数绝对值增加。另一方面，声子的量子禁闭效应会降低热导率。此外，量子约束等效应会提高载流子迁移率。相比于发展较为成熟的块体热电材料与器件，热电薄膜易与现代微纳加工技术结合制成微型器件，适用于更加广阔的领域。本书旨在研究构建纳米尺度的热电薄膜，对影响热电薄膜性能的因素进行调控，为热电薄膜的低维化应用提供借鉴。
