多周期异质结构纳米薄膜电制冷器制备及热电性能影响机制

本研究针对目前热电薄膜性能低下、传热通道热阻高、制冷器整体制冷效率低的现状，提出了在大功率芯片背面直接制备多周期异质结构纳米热电薄膜电制冷器的方法。设计和制备多周期Bi2Te3/Sb2Te3异质结构纳米热电薄膜，提升材料的热电优值；直接将热电制冷器结构制备在功率芯片背面，以获得最小的界面热阻；在纳米薄膜表面集成扩散阻挡层以及键合层，通过键合工艺实现电热制冷器与热沉结构的连接。开展多周期异质结构纳米热电薄膜热电性能的表征研究，阐明热电薄膜结构中热、电传输机制，描述膜层间元素扩散以及薄膜内部残余应力所导致的热电性能退化机制；并研究芯片背面金属材料与薄膜结构的互扩散机制，及互扩散行为所导致的热电性能退化机制；研究金属化层制备过程中所引起的残余应力对热电薄膜性能的影响机制，探索键合压力对薄膜热电性能的影响机制。通过本研究的实施，可完成高热电性能材料的制备、制冷器与器件的低热阻键合，实现高效制冷。

本项目针对目前热电薄膜性能低下的情况，制备了多周期Bi2Te/Sb2Te3异质结构纳米热电薄膜，提升了材料的热电性能。1）根据Bi2Te3材料的结构和成键方式拟合出可用于分子动力学模拟的势函数；模拟计算了Bi2Te3薄膜的热导率及力学性能，发现薄膜法向热导率小于面向热导率，且均小于块体材料对应方向的热导率，薄膜的力学性能存在较为明显的各向异性，且其力学性能差于 块体材料；研究了温度、薄膜厚度、掺杂浓度及空位浓度对薄膜热导率及力学性能的影响规律；2）采用直流磁控溅射的方法制备了Bi2Te3薄膜，研究了溅射速率及退火温度对薄膜表面形貌、成分、晶体结构、电学性能的影响。3）采用直流磁控溅射的方法制备了Sb2Te3薄膜，探索了薄膜的表面形貌、残余应力、电学性能随溅射功率的变化规律，研究了退火温度对薄膜表面形貌和残余应力的影响。4）基于磁控溅射制备Bi2Te3、Sb2Te3单层膜的研究，利用磁控溅射的方法成功制备了均匀致密的多周期Bi2Te3/Sb2Te异质结构纳米薄膜，对纳米多层膜的表面形貌、界面结构和晶体结构进行了表征和分析；对多层膜的电学性能进行了研究，发现Bi2Te3/ Sb2Te3多层膜的电导率高于单层Bi2Te3薄膜，阐述了薄膜电导率随着周期数增大而增加的机理，揭示了薄膜电导率随退火温度的增加的变化规律；对不同周期数的Bi2Te3/ Sb2Te3纳米多层膜的热学性能进行了表征和分析，发现Bi2Te3/ Sb2Te3多层膜的热导率随着周期数的增加而增加，但总是低于单层Bi2Te3薄膜，并对其机理进行了分析。由于时间短缺、仪器损坏等原因，还未成功在大功率芯片背面直接制备出多周期异质结构纳米热电薄膜电制冷器。通过本项目研究，成功制备出多周期Bi2Te3/ Sb2Te3异质结构纳米薄膜，为制备多周期异质结构纳米热电薄膜电制冷器奠定了基础。以上研究工作共计培养硕士研究生2名。