High-Performance Planar Thin-Film Thermoelectric Cooler Based on Sputtered Nanocrystalline Bi2Te3/Bi0.5Sb1.5Te3 Thin Films for On-Chip Cooling

材料科学 纳米晶材料 热电效应 平面的 薄膜 热电材料 结晶学 工程物理 纳米技术 热导率 复合材料 热力学 物理 计算机图形学(图像) 工程类 化学 计算机科学
作者
Tingrui Gong,Chensheng Ma,Lianghui Li,Lei Gao,Linwei Cao,Maolin Shi,Jun‐Tao Li,Wei Su
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (11): 17008-17017 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsami.4c19653
摘要

The development of high-performance thin-film thermoelectric coolers (TFTECs) that are compatible with standard integrated circuit processes and can reduce power consumption is critical to achieving large-scale applications. In this work, we fabricate a planar TFTEC based on nanocrystalline p-type Bi0.5Sb1.5Te3 and n-type Bi2Te3 thin films using magnetron sputtering, standard lithography, and postannealing processes. The power factors of the Bi0.5Sb1.5Te3 and Bi2Te3 thin films reach 3.63 and 4.28 mW/mK2, respectively, and the ZT values reach 0.82 and 0.93, which are comparable to those of bulk TE materials. The radial configuration of the device allows the cold-side thermal resistance to be increased and the hot-side thermal resistance to be decreased, thereby facilitating a substantial cooling temperature difference. Furthermore, the large in-plane contact area helps to reduce device resistance and power consumption. At a heating stage temperature of 360 K and a power consumption of 4.76 mW, the net cooling temperature difference of the TFTEC reaches 4 °C. The maximum temperature difference between the hot end and the cold end is 7.26 °C, while the cold end temperature remains below the ambient temperature. The high-performance planar TFTECs demonstrated in this work exhibit both a high net cooling performance and competitive fabrication cost, rendering them ideal for on-chip hotspot cooling.
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