柱/层结构金属/热电半导体界面的纳米粘接及接触势垒调控

The breakthroughs of high efficiency thermoelectric devices depend on the low resistance and high performance of material. The experimental performance is much lower than its theoretical valves, while the properties of nanostructured thermoelectric materials are enhanced. The reason is high additional resistance, causing by schottky barrier layers or diffusion barrier layers or thermal expansion coefficient gradient layer. The challenge of micro thermoelectric device is how to control the structure of metal/thermoelectric semiconductor heterointerface. The key to solve this issue lies in maintaining smooth transport for electron carrier and stability of nanostructured materials, controlling thermal stress. Therefore, it can be sovled by nano solder for columnar electrode/layered thermoelectric material interface. The columner electrode can move thermal stress to the interface between columns. Here we proposed to investigate the problem in interfacial cantact barrier and diffsion by constructing non-solid solution nano particle aphroid structure, which is fabricated by modified PVD technology. The project focuses on the design and fabrication of columnar multilayer hererointerface, aiming at control the interfacial diffusion, chemical reaction and decrease contact resistivity by efficient nano solder. The other aim is to obtain the electron carrier transport mechanism and the quantitative relathionship between interfacial structure and electrical contact resistivity. Finally, we hope that this work should contribute to the research of long time stable thermoelectric device with high efficiency.

高效热电器件的核心在于降低内阻和提升材料性能，纳米层状热电薄膜的性能十分优异，但器件性能仍与理论值相差较大，原因在于解决金/半界面应力、接触势垒、扩散等问题需引入较多较厚的异质界面，使附加内阻增大导致器件性能低下。如何利用薄层界面实现低内阻高效热电器件的集成面临巨大的挑战。关键在于缓解界面热应力，并维持界面载流子通畅输运。采用纳米粘接技术实现柱状电极与层状热电材料的复合是有效的解决手段。纳米柱状电极可将大部分应力转移至柱间界面，且不损害其一维尺度上的导电传热性能。利用改进的物理气相沉积技术，构筑非固熔体互嵌结构的纳米颗粒粘接界面，增强界面结合力，减少界面层数和层厚。进一步优化柱状电极的表面结构，解决界面扩散和接触势垒调控的问题，探索界面结构与载流子输运性能的相关性，揭示柱状金属电极/层状热电半导体界面的载流子输运机制及界面接触势垒的优化原理，最终实现热电器件高效、稳定的工作。

在电子元器件微型化的发展趋势下，器件中存在的接触电阻问题变得异常突出，迫切需要有效、低成本的解决方式。本项目针对碲化铋(Bi2Te3)基热电器件中的Bi2Te3/Cu界面接触问题，通过调控Bi2Te3薄膜和Cu薄膜的微观取向结构，制备出特殊定向的薄膜材料，有效的降低了界面接触电阻，提升了界面的结合强度。研究结果表明(111)方向高取向度的具有核壳结构Cu纳米线阵列具有好的强化传热性能，可用作热电制冷器件中高导热高导电的电极层，由此可知特殊结构的Cu薄膜会对器件的整体性能，包括界面的电接触性能有一定的影响。Cu纳米线阵列在常温下就可以制备，提高接触电阻性能的同时，又可以解决元素扩散的问题。并且通过掩膜辅助沉积技术（掩膜+磁控溅射），制备出了可靠的图案化测试样品。通过控制工艺参数，分别制备了不同定向结构的Bi2Te3薄膜和Cu薄膜，采用三端法和传输线法测试对其电接触性能进行表征，优化界面，从而找到了最佳性能的结构组合，获得了~10-7 Ω cm2的低接触电阻率。通过探索结构调控、晶格匹配、晶界形貌等对接触电阻影响的机理，表明Bi2Te3与Cu具有最相近的功函数，其接触电阻最小，但是两种材料的界面含有较多的缺陷，成为影响界面性能的主要因素。通过表面改性技术和Ti、Ni多层金属调控的方式可以有效提升界面结合性能、进一步降低界面电阻、阻隔界面元素扩散。综上，本项目最终通过控制晶体生长取向的方式制备出高ZT值热电材料，并有效控制界面电输运性能，从而实现低成本高效率制备高性能热电器件的目的。