● 摘要
热电制冷器件由于其结构简单、高可靠性、无噪音、体积小、低毒性、无转动或移动等机械运动部件等优点，近年来受到广泛的关注。碲化铋(Bi2Te3)基热电材料作为室温区性能最佳的材料被大量应用在热电器件中，对于热电制冷器件来说Bi2Te3基热电材料也是目前唯一的商用材料。同时，理论计算结果表明，制备低维化的Bi2Te3基薄膜型器件有望使微电子产业中的大功率制冷问题得到有效的解决。因此，本文利用磁控溅射沉积方法，通过调控磁控溅射工艺参数实现了对碲化铋基薄膜材料低维纳米结构形貌和晶型的调控，探索了其生长机制；针对热电器件中的电极问题，对Cu电极的电学和热学性能进行了研究讨论；并将具有特殊纳米结构的Bi2Te3基材料与Cu电极结合，对其界面结合性能、扩散效应和接触电阻进行了研究，获得了较好的结果。
本论文介绍了Bi2Te3基热电制冷器件的特点和结构，并介绍了低维化对提升器件制冷性能的重要作用和目前Bi2Te3基热电材料的现状，从而提出研究的内容和目标。以磁控溅射法为手段，通过调节磁控溅射的基底温度、工作气压、溅射功率及溅射时间成功制备了一系列具有特殊定向结构的P型Bi0.5Sb1.5Te3热电薄膜材料，同时讨论并研究了磁控溅射体系中薄膜材料生长的机制机理，及不同择优生长对薄膜材料热电性能的影响。在薄膜生长机制的指导下，结合不同材料的物理性能，采用双靶溅射技术，通过进一步调控薄膜生长的工艺参数，实现了N型Bi2Te2.7Se0.3薄膜材料的可控制备，对材料的热导率进行了估算，并获得了良好的热电性能。
针对薄膜型器件对电极的要求，通过控制材料的生长条件，成功制备出具有一系列特殊结构的Cu薄膜电极。并研究了铜薄膜电极的电学及热学性能。结合Cu薄膜表面浸润性的研究，直观表现出Cu薄膜电极的稳定性及结构变化对其性能的影响。最后，我们将具有特殊纳米结构的碲化铋基薄膜与Cu电极结合研究，旨在降低金半界面的接触电阻、提高金半接触的热阻，从而实现高功率密度热电制冷器件的利用。并对制冷器件的结构优化进行了计算研究，使制冷器件的性能有望得到进一步的优化。