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基于热电材料Seebeck效应和Peltier效应开发的薄膜热电器件在微型电源、微区制冷和高精度温控等领域有独特的应用前景。与宏观热电器件类似，薄膜热电器件由单个微小的热电对集成(微米尺度)，热电材料本身的热电性能ZT、冷热端接触电阻和热阻、器件结构(如N/P型热电臂的高度、截面积、热电对数量等)是限制器件性能的关键因素。因此，如何提高热电薄膜的热电性能、降低接触电阻和热阻以及优化器件结构是薄膜热电器件研究领域的重要课题。本文以碲化铋基薄膜器件为主要研究对象，从制备和优化薄膜热电性能和优化器件结构两个方面提高器件的性能，具体研究内容如下：
首先，使用磁控溅射技术以共溅射方法制备p型(BiSb)2Te3薄膜，研究了化学成分、退火温度、退火时间和Te掺杂等因素对薄膜热电性能的影响。通过调控溅射功率实现对薄膜化学成分的调节，研究了BixSb2-xTe3(x=0，0.16，0.30，0.45，0.56)系列薄膜的微结构与热电性能。结果显示，随着Bi成分比x的提高，薄膜的载流子浓度降低，其归因于SbTe反类缺陷浓度的减少。Seebeck系数和电阻率相应随载流子浓度的降低而升高。当x=0.45时BixSb2-xTe3薄膜具有最大的电功率因子30.6μW/K2cm。我们进一步研究了退火温度和退火时间对薄膜的微结构与热电性能的影响。研究表明，室温溅射沉积的(BiSb)2Te3薄膜已生成Bi2Te3-Sb2Te3纳米合金相，但薄膜内存在大量缺陷，导致载流子浓度较高，Seebeck系数较低。而退火可有效消除缺陷，促使晶粒生长，增强电输运性能。然而，由于Te的饱和蒸汽压较高，在热处理Bi-Sb-Te薄膜时，当退火温度高于250℃时，Te的挥发导致薄膜性能的恶化。从薄膜电输运性能对退火时间的引来关系看，短时间退火即可有效减少缺陷浓度，促进薄膜晶化。延长退火时间可进一步促使纳米晶粒生长，进而导致载流子迁移率的缓慢提高，但是，载流子浓度没有明显的变化，表明短时间退火已经有效消除晶粒内部缺陷。
其次，共溅射制备了n型Bi2Te3薄膜，研究了化学成分和退火时间等因素对薄膜微结构和热电性能的影响。实验结果表明，室温溅射沉积的Bi-Te薄膜已然生成Bi2Te3相，但薄膜内存在大量缺陷，导致薄膜具有较高的载流子浓度和较低的Seebeck系数。短时间退火即可促进薄膜晶化，有效减少缺陷浓度，进而导致载流子浓度的降低和Seebeck系数的提高。延长退火时间可进一步促使纳米晶粒生长，促使载流子迁移率的缓慢提高。同时，通过调节溅射功率实现对薄膜化学成分的调控，研究了Bi1-xTex(x=59.8%，61.4%，62.2%，65.6%)系列薄膜的微结构与热电性能。根据XRD结果和Bi-Te相图分析可知，偏离化学剂量比(Te>～60%)的Bi-Te薄膜为Bi2Te3-Te两相合金薄膜。提高Te含量，薄膜载流子浓度先降低后升高，载流子迁移率则先升高后降低。注意到，59.8%Te含量的Bi-Te合金薄膜为Bi2Te3相，但是其载流子(电子)浓度达21.5×1019cm-3，远大于n型Bi2Te3体材料的值1.0×1019cm-3。但是提高Te含量至61.4%，载流子浓度迅速下降为3.14×1019cm-3。Seebeck系数和电阻率与载流子浓度的变化紧密相关，电阻率与载流子浓度的变化趋势相似，而Seebeck系数与载流予浓度的变化趋势相反。62.2%Te含量的Bi2Te3薄膜Seebeck系数最大，为-203μV/K；其电功率因子也最大，为16.2μW/K2cm。
因此，通过系统研究化学成分、退火时间和退火温度等因素对n型Bi2Te3薄膜和p型(BiSb)2Te3薄膜微结构和热电性能的影响，我们获得了[015]取向的纳米晶Bi2Te3薄膜和[1010]取向的纳米晶(BiSb)2Te3薄膜，其电功率因子最高可达16.2μW/K2cm和31.6μW/K2cm。这一数值明显低于其体合金值，57.6μW/K2cm和47.7μW/K2cm。原因有两个：第一，薄膜的纳米晶结构导致薄膜的载流子迁移率显著降低，进而导致薄膜的电阻率明显高于其体材料。第二，Bi2Te3的电传输特性具有显著的各向异性，即Bi2Te3沿解理面[110]方向的ZT值最大，约为垂直解理面[001]方向的2倍。因此，薄膜的非[00L]取向是导致其热电性能低于体材料的重要因素。然而，由于晶界对声予的增强散射，薄膜的纳米晶结构同样会导致热导率下降。因此，调控薄膜的结构取向是未来研究的重点。
再次，基于热电发电与制冷的基础理论，考虑接触电阻和冷热端热阻的影响，分别对热电发电器件和制冷器的输出性能进行了模拟分析，讨论了器件的结构参数和材料参数对器件输出性能的影响。分析表明，随着器件尺寸的降低，接触电阻和冷热端热阻的影响愈加显著，导致器件性能的显著降低。对于碲化铋基微型器件，在固定接触电阻和冷热端热阻的条件下，其热电臂长度存在一个最优值。针对目前器件结构存在的问题，即Cross-Plane型器件受薄膜微加工工艺限制，无法获得大高宽比的热电单元；in-plane型器件具有较大的热漏和低的器件密度，我们提出一种基于Si基MEMS技术的具有立体层叠结构的in-plane型薄膜热电器件，实现了热漏的有效降低和器件密度的大幅提高，并提出以聚酰亚胺薄膜为中间层和逐层堆叠方法实现器件立体层叠的工艺路线，探索了图形化N型Bi2Te3与P型(BiSb)2Te3薄膜的Lift-off工艺。目前，该部分工作正在研究中。