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热电材料是实现热能和电能直接转换的材料,可用于温差发电和通电制冷。Bi2Te3基化合物是室温性能最好的热电材料,PbTe基化合物是中温（300900K）性能较好的热电材料。经过几十年的研究,块体Bi2Te3基和PbTe基材料的热电优值一直徘徊在1左右。随着纳米技术的兴起,近年来有关在低维材料中取得高热电优值的报道不断出现。将材料的晶粒细化到纳米级或在材料内部添加纳米级第二相粒子并降低材料维数,可以增加对载流子和声子的散射,提高Seebeck系数,降低热导率,提高热电性能。本文从理论模拟计算入手,设计了（Bi2Te3/PbTe）n薄膜的结构,采用磁控溅射法制备了不同结构的p型Bi2Te3薄膜和Bi2Te3与PbTe的复合薄膜,对薄膜结构与性能作了系统研究。本文首先从波尔兹曼方程出发,首次引入了Bi2Te3/PbTe粗糙界面效应,限定量子隧道效应,模拟计算（Bi2Te3/PbTe）n多层量子阱结构的热电性能,结果表明:当PbTe障碍层的宽度为1nm时,隧道传输系数为0.15;粗糙的（Bi2Te3/PbTe）n界面对载流子产生漫反射,使得（Bi2Te3/PbTe）n多层量子阱的最大ZT值急剧降低;限定PbTe障碍层的宽度为1nm,PbTe障碍层的存在使得镜面参数p为1时的ZT值比Bi2Te3理想超晶格的ZT值低近1倍。当Bi2Te3亚层宽度增大时,计算值还表明（Bi2Te3/PbTe）n多层量子阱的ZT值急剧下降;当p为0.5,Bi2Te3亚层宽度超过2nm时,其ZT值比Bi2Te3块体材料的还要低。模拟结果与制备得到的（Bi2Te3/PbTe）n多层膜的实验结果中功率因子较低相一致。本文系统的研究了磁控溅射工艺制备得到的Bi2Te3薄膜、（Bi2Te3/PbTe）n多层膜和（PbTe）np/Bi2Te3纳米复合薄膜的结构。研究发现,采用射频磁控溅射,在低功率（25W）溅射条件下,在平整的表面（解理云母片或冷抛石英玻璃）上,Bi2Te3以非晶态的结构沉积在基底表面;随着沉积时间的延长,Bi2Te3薄膜变厚的同时发生结晶,形成纳米晶薄膜;采用间歇沉积（沉积1min,停止溅射约1min后再溅射）的方式首次得到了非晶态的微米量级厚度的Bi2Te3薄膜。采用直流磁控溅射沉积PbTe时,PbTe以颗粒形态沉积在基底表面,首先形成不连续的岛状结构,当连续沉积3s以上时,形成连续的薄膜。控制磁控溅射工艺成功地得到（Bi2Te3/PbTe）n纳米多层膜,多层膜中PbTe亚层厚度最小约为6nm。首次采用磁控溅射多层膜的工艺得到了PbTe纳米颗粒弥散分布在Bi2Te3基体中的（PbTe）np/Bi2Te3纳米复合薄膜,其中PbTe纳米颗粒的尺寸在25nm,并且PbTe纳米颗粒均匀弥散分布在Bi2Te3基体中,不存在搭接现象。射频磁控沉积的Bi2Te3非晶态薄膜在300℃条件下退火3小时后,薄膜发生结晶,晶粒尺寸不超过20nm。退火前非晶态的Bi2Te3中载流子处于定域态中,限制了载流子的迁移,使得非晶态中的电导率比退火后的晶态Bi2Te3薄膜的电导率要低。研究Bi过量程度不同的p型Bi2Te3晶态薄膜,其电导率在300700S/cm范围内变化,电导率较小,主要原因是受到薄膜内部大量的缺陷和界面的散射造成;Seebeck系数在80160μV/K范围内变化;最大的功率因子只有8×10-4WK-2m-1。采用磁控溅射沉积制备得到（Bi2Te3/PbTe）n纳米多层膜,PbTe亚层是结晶态,Bi2Te3亚层是非晶态的。由理论分析表明Bi2Te3/PbTe界面的镜面参数p约为0.30.4时,理论计算得到的电学性能与实验吻合;退火后镜面参数降低。载流子主要在Bi2Te3亚层中传输,受到强烈的界面散射使得p型（Bi2Te3/PbTe）n多层膜的Seebeck系数在100℃时为250μV/K;但其电导率低,功率因子总体较低。在（PbTe）np/Bi2Te3纳米复合薄膜中,载流子主要在Bi2Te3基体中进行输运,一方面沉积得到的薄膜中PbTe纳米颗粒是晶态的,Bi2Te3在沉积过程中依托PbTe晶粒生长,有利于Bi2Te3与PbTe之间形成比较理想的界面,界面散射较弱,电导率相对退火后的（PbTe）np/Bi2Te3纳米复合薄膜较高;而退火后的Seebeck系数由于比较强烈的界面散射而有所增大。与Bi2Te3/PbTe多层膜相比,（PbTe）np/Bi2Te3纳米复合薄膜的功率因子较高。采用3ω法测量了（PbTe）np/Bi2Te3纳米复合薄膜的热导率,发现薄膜的声子热导率在300360K的温度范围内随着温度的升高而增大,说明（PbTe）np/Bi2Te3纳米复合薄膜中声子的散射机制主要是界面散射。利用有效介质理论和界面热阻,引入基体晶粒大小的尺寸效应,分析了（PbTe）np/Bi2Te3纳米复合薄膜的热导率随PbTe纳米颗粒体积含量增加的变化,得到Bi2Te3/PbTe的界面热阻在PbTe体积含量较低时,随PbTe体积含量的增大而变小;当PbTe体积含量较大时,界面热阻又变大,且界面热阻变化范围小,0.942.48×10-9m2K/W。针对军事装备上高温部位的热红外隐身的需求,本文首次提出设计温差发电和通电制冷两种方式来解决这一问题。理论分析和实验表明,采用温差发电方式不能有效地降低“表面”温度;采用通电制冷的方式能迅速有效地降低“表面”温度,且能通过调节外加电流大小来控制“表面”温度,有望实现智能热红外隐身。