【摘 要】
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薄膜热电制冷器因其高冷却通量、易于集成的特点已成为国内外研究热点。然而,研究发现热电臂与金属界面的接触电阻会导致器件性能大幅退化,而且两者间的扩散也会对器件性能产生较大影响。因此,对于薄膜热电制冷器,探索既能优化界面电接触性能又能阻挡相互扩散的热电界面材料（TEi M）极为关键。本文以碲化铋基材料与铜界面为优化对象,选用Ti、Ti N、Ag、Cr作为TEi M,采用磁控溅射和金属掩摸图案化工艺来制
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“热电薄膜制冷器的热-电传输调控及协同冷却特性研究（52176007）”； 深圳市基础研究重点项目“超高热流密度芯片温度控制的热电薄膜瞬态制冷技术研究（JCYJ20210324115611030）”；
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薄膜热电制冷器因其高冷却通量、易于集成的特点已成为国内外研究热点。然而,研究发现热电臂与金属界面的接触电阻会导致器件性能大幅退化,而且两者间的扩散也会对器件性能产生较大影响。因此,对于薄膜热电制冷器,探索既能优化界面电接触性能又能阻挡相互扩散的热电界面材料（TEi M）极为关键。本文以碲化铋基材料与铜界面为优化对象,选用Ti、Ti N、Ag、Cr作为TEi M,采用磁控溅射和金属掩摸图案化工艺来制备样品,并从电接触特性与扩散阻挡能力两个方面来确定了分别适用于p、n型热电薄膜的TEi M。最后,基于实测接触电阻率数据建立了薄膜热电制冷器的仿真模型,研究TEi M对薄膜热电制冷器无量纲热电优值系数（ZT）及最大冷却通量的影响。实验结果表明,对于p型Bi0.5Sb1.5Te3薄膜-Cu电极,Cr是最佳TEi M。引入200nm厚的Cr层不仅能抑制Cu扩散,而且可以实现极佳电接触性能,将接触电阻率降至1.81×10-12Ω?m~2,并在热处理后维持在2.37×10-12Ω?m~2。对于n型Bi2Te3薄膜-Cu电极,最佳TEi M是Ag。引入200 nm厚的Ag层不仅可以抑制扩散,而且可以将接触电阻率降至3.32×10-12Ω?m~2,并在热处理后维持在1.63×10-12Ω?m~2。虽然Ag会在热处理后发生微量扩散,但其扩散会优化与n型Bi2Te3薄膜的电接触性能。仿真结果表明,不引入TEi M会导致界面处过高的接触电阻而使器件失效,而引入Cr、Ag分别作为p、n型热电臂的TEi M不仅可以将器件ZT值由0.0013提升至0.991,而且可以实现极高冷却通量（243.58 W/cm~2）,并维持器件性能稳定。此外,由于接触电阻等不利因素,热电制冷器的ZT值会随着热电臂高度的降低而降低,并存在一个使器件获得最大冷却通量的最佳热电臂高度。通过引入本文发现的最佳TEi M,不仅可以大幅消除接触电阻带来的器件ZT值退化,还可以增加最大冷却通量,并降低使器件获得最大冷却通量的热电臂高度,为器件进一步小型化提供可能。
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