热电器件能实现热能和电能之间的双向转换,在解决日益增长的能源可持续性问题方面具有巨大的前景。热电器件的研究方向主要分为热电材料层面和器件层面。热电材料的性能从根本上决定了热电器件的热电转换效率。与块材相比,低维纳米热电材料具有更多的界面和缺陷以及由微结构导致的诸多特殊物理效应。其中,量子限域效应改变了电子传输机制,使突破功率因子的上限成为了可能。首先,本文通过分子束外延技术在In0.53Ga0.47As中引入2 nm尺寸的ErAs纳米自组装颗粒,形成了量子点超晶格结构,从实验测量角度验证了 3 nm以下的纳米颗粒能带来零维量子点的量子限域效应。并对δ-Be-ErAs:In0.53Ga0.47As材料的各项热电性能参数进行了表征,发现量子点超晶格结构带来的量子限域效应使材料的功率因数相对于对照组提升了 4-5倍,在516 K的温度时其功率因数达到 445 × 10-6 W/mK2。其次,基于量子点超晶格薄膜,通过MEMS微纳加工工艺实现了低维纳米薄膜材料的器件化,制备了包含1-25级串联台面的微型热电器件,该装置的整体尺寸最大为5.7 × 1 mm2。25级的微器件应用于发电时,能在516 K的平均温度和19.6 K的器件温差下实现0.105 V的开路电压和0.13 μW（0.053 V × 2.5μA）的最大输出功率。基于微型器件表征了薄膜热电材料的性能。并且器件的输出参数和最大功率可以通过增加半导体台面级数N或改变台面的几何参数来进一步提高。最后,构建了对热电器件的微观界面热变形的在线测量方法。热电器件的性能和可靠性普遍受到热应力的影响和制约,异质界面的疲劳断裂是器件工作运行中普遍存在的问题。本文引入了基于数字图像相关的微观热变形测量方法,基于激光散斑搭建了真空测量系统,并获得0.002个像素的散斑精度。该方法实现了小于千分之六个像素的测量误差并在商用热电制冷模块TEC热电柱全场热变形的测量中得到了验证,获取了热应变和应力分布及其随TEC工作温差的变化规律,确定了应力集中区域。研究发现,在TEC工作温差为60 K左右时,剪切应力峰值已接近商用热电半导体材料Bi2Te3的断裂极限,验证了该热变形测量方法的可靠性。本研究中的热电器件微观界面热变形测量方法适用于商用热电器件Bi2Te3热电柱热力学行为的直接观测,且在微型热电器件的可靠性预测方面也同样具有较为明显的应用前景,为热电器件的设计、制造及优化研究提供了有用的参考途径。