CN101826594A - 一种错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，属于薄膜光探测器设备技术领域，所要解决的技术问题是提供一种通过在斜切氧化物单晶基底上生长一层c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜所制成的光探测器，其技术方案是：它由斜切的氧化物单晶基片和c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜组成，c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜采用脉冲激光沉积技术或金属有机沉积技术生长在斜切的氧化物单晶基片上，在薄膜表面有两个用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术沉积在薄膜表面的电极，两个电极分别通过电极引线与电压信号输出端相连接。本发明提供的错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器的优点是制备简单、成本低廉、响应波段宽、响应灵敏度高和响应时间快。

Description

一种错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器

技术领域

本发明涉及一种利用错配层钴氧化合物热电薄膜制作的高灵敏宽频段光探测器，属于薄膜光探测器设备技术领域。

背景技术

当一束激光照射到沉积在倾斜单晶衬底上的薄膜表面上时，薄膜的上下表面就会产生一个温度差，由于薄膜赛贝克系数的各项异性，则会在薄膜的两端产生一个横向电压信号且电压信号的幅值和薄膜材料ab轴方向和c轴方向的赛贝克系数的差值ΔS成正比，这一效应称之为激光诱导热电压效应。近年来，利用氧化物薄膜材料的激光诱导热电压效应制作的新型光探测器备受关注。和传统的用半导体材料制成的光子探测器相比，基于氧化物薄膜激光诱导热电压效应制备的光探测器价格低廉、信噪比好、不需要制冷、且可以工作在很长的波段范围内。

目前用于制备此类新型光探测器常用的氧化物薄膜材料包括以钇钡铜氧为代表的高温超导薄膜和以镧钙锰氧为代表的巨磁阻薄膜。但这两种薄膜的ΔS值较小，使得探测器的探测灵敏度较小，因此寻找具有较大ΔS值的新型氧化物薄膜材料成为进一步发展此类光探测器的关键所在。最近，日本科学家发现c轴取向生长的错配层钴氧化合物薄膜具有很大的ΔS值，非常适用于制备高灵敏度的光探测器。但截至目前为止，并没有见到关于利用错配层钴氧化合物薄膜制备光探测器的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过在斜切氧化物单晶基底上生长一层c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜所制成的光探测器。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，它由斜切的氧化物单晶基片和c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜组成，c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜采用脉冲激光沉积技术或金属有机沉积技术生长在斜切的氧化物单晶基片上，在薄膜表面有两个用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术沉积在薄膜表面的电极，两个电极分别通过电极引线与电压信号输出端相连接。

上述错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，所述的斜切的氧化物单晶基片为c轴取向的单晶铝酸镧(LaAlO₃)、钛酸锶(SrTiO₃)或宝石(Al₂O₃)基片，斜切角度θ的范围为0°＜θ≤20°。

上述错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，所述的错配层钴氧化合物热电薄膜为钙钴氧(Ca₃Co₄O₉)、钠钴氧(NaCo_0.5O₂)或铋锶钴氧(Bi₂Sr₂Co₂O₈)薄膜，薄膜厚度为20nm-2μm。

上述错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，所述的两个电极之间的间距为3-8mm，电极材料为金属Pt、Au、Ag、Al或In。

上述错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，所述的电极引线为Au、Ag或Cu材质的细导线，直径为0.01-0.2mm。

上述错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，所述的两根电极引线的输出端并联一个阻值为0.1-50Ω的电阻。

本发明提供的错配层钴氧化合物光探测器的优点在于制备简单、成本低廉、响应波段宽、响应灵敏度高和响应时间快。

附图说明

图1为：本发明错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器的结构示意图。

图中标号如下：1、斜切氧化物单晶基片  2、错配层钴氧化合物热电薄膜3、第一电极  4、第二电极  5、第一电极引线  6、第二电极引线

图2为：Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜光探测器对XeCl激光器输出激光(波长：308nm，脉宽：25ns)的电压信号响应图。插图为该光探测器的测量结构示意图。

图3为：Ca₃Co₄O₉薄膜光探测器对XeCl激光器输出激光(波长：308nm，脉宽：25ns)的电压信号响应图。

图4为：Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜光探测器对Nd:YAG激光器输出激光(波长：532nm，脉宽：25ps)的电压信号响应图。

图5为：Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜光探测器对Nd:YAG激光器输出激光(波长：1064nm，脉宽：25ps)的电压信号响应图。

具体实施方式

图1中显示，本发明由斜切的氧化物单晶基片和c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜组成。

斜切的氧化物单晶基片1为c轴取向的单晶铝酸镧(LaAlO₃)、钛酸锶(SrTiO₃)或宝石(Al₂O₃)基片，斜切角度θ的范围为0°＜θ≤20°。错配层钴氧化合物热电薄膜2可以选用钙钴氧(Ca₃Co₄O₉)、钠钴氧(NaCo_0.5O₂)和铋锶钴氧(Bi₂Sr₂Co₂O₈)薄膜，薄膜厚度为20nm-2μm。c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜2采用脉冲激光沉积技术或金属有机沉积技术生长在斜切的氧化物单晶基片1上。

在薄膜表面有两个电极，分别为第一电极和第二电极，这两个电极用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术沉积在薄膜表面。两个电极之间的间距为3-8mm，电极材料可以选用金属Pt、Au、Ag、Al或In。两个电极分别通过电极引线与电压信号输出端相连接，电极引线可以选用Au、Ag或Cu的细导线，直径为0.01-0.2mm。

为提高响应速度，两根电极引线的输出端并联一个阻值为0.1-50Ω的电阻。

以下是本发明的4个实施例：

实施例1：可以对脉宽为25ns的308nm XeCl准分子激光器输出激光探测的Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜光探测器。

1.选用已知的脉冲激光沉积技术在10度倾斜的c轴取向LaAlO₃单晶基底上制备一层厚度为200nm的c轴取向的Bi₂Sr₂Co₂O₈热电薄膜；

2.利用已知的热蒸发的方法在Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜表面制备两个Ag电极，电极直径为0.5mm，电极间距离为5mm；

3.用导电银胶将直径为0.1mm的两根铜导线分别粘在两个银电极上作为两个电级的引线；

4.将两根电极引线的另一端接在作为输出电压信号测试端的示波器上，示波器输入阻抗选用1兆欧姆档；

5.选用500兆示波器，用上述Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜光探测器，测量准分子XeCl激光器(输出波长为308nm，脉宽为25ns)照射在探测器上的电压信号输出。

图2是示波器记录下来的308nm的XeCl激光器照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出，当照射在薄膜上的激光能量为5mJ时，输出电压信号的幅值为1.5V，探测灵敏度高达300mV/mJ。

实施例2：可以对脉宽为25ns的308nm XeCl准分子激光器输出激光探测的Ca₃Co₄O₉薄膜光探测器。

1.选用已知的化学溶液沉积技术在20度倾斜的c轴取向的Al₂O₃单晶基底上制备一层厚度为300nm的c轴取向的Ca₃Co₄O₉热电薄膜；

2.同实施例1中步骤2-4；

5.选用500兆示波器，用上述Ca₃Co₄O₉薄膜光探测器，测量准分子XeCl激光器(输出波长为308nm，脉宽为25ns)照射在探测器上的电压信号输出。

图3是示波器记录下来的308nm的XeCl激光器照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出，当照射在薄膜上的激光能量为1mJ时，输出电压信号的幅值高达100mV，同样具有很高的探测灵敏度。

实施例3：可以对脉宽为25ps的Nd:YAG激光器输出激光(输出波长为532nm)探测的Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜光探测器。

1.选用已知的化学溶液沉积技术在5度倾斜的c轴取向的LaAlO₃单晶基底上制备一层厚度为150nm的c轴取向的Bi₂Sr₂Co₂O₈热电薄膜；

2.利用已知的热蒸发方法在薄膜表面制备两个In电极，电极直径为0.3mm，电极间距离为8mm；

3.用焊锡将直径为0.1mm的两根铜导线分别焊接在两个In电极上作为两个电级的引线；

4.将两根电极引线的另一端接在作为输出电压信号测试端的示波器上，示波器输入阻抗选用50欧姆档；

5.选用500兆示波器，用上述Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜光探测器，测量Nd:YAG激光器(输出波长为532nm，脉宽为25ps)照射在探测器上的电压信号输出。

图4是示波器记录下来的532nm的皮秒Nd:YAG激光器照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出，当照射到薄膜表面上的激光能量为1mJ时，输出电压信号达到了50mV，电压信号的上升沿时间仅为700ps，半宽度仅为1.5ns，因此该探测器对于皮秒激光器具有非常快的响应。

实施例4：对脉宽为25ps的Nd:YAG激光器输出激光(输出波长为1064nm)探测的Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜光探测器。

1.选用已知的化学溶液沉积技术在10度倾斜的c轴取向SrTiO₃单晶基底上制备一层厚度为200nm的c轴取向的Bi₂Sr₂Co₂O₈热电薄膜；

2.利用已知的磁控溅射技术在Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜表面制备两个Au电极，电极直径为0.5mm，电极间距离为4mm；

3.用焊锡将直径为0.05mm的两根银导线分别焊接在两个Au电极上作为两个电级的引线；

4.将两根电极引线的另一端接在作为输出电压信号测试端的示波器上，示波器输入阻抗选用50欧姆；

5.选用500兆示波器，用上述Bi₂Sr₂Co₂O₈薄膜光探测器，测量Nd:YAG激光器(输出波长为1064nm，脉宽为25ps)照射在探测器上的电压信号输出。

图5是示波器记录下来的1064nm的皮秒Nd:YAG激光器照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出当照射在薄膜表面的激光能量为1mJ时，在薄膜两端产生的输出电压为16mV，探测器对1064nm红外光的响应也较快，电压信号上升沿时间约为3ns，半宽约为40ns。

本发明列举的实施例旨在更进一步地阐明这种错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器及制备方法，而不对本发明的范围构成任何限制。

Claims (6)

1.一种错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，其特征在于：它由斜切的氧化物单晶基片(1)和c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜(2)组成，c轴取向的错配层钴氧化合物热电薄膜(2)采用脉冲激光沉积技术或金属有机沉积技术生长在斜切的氧化物单晶基片(1)上，在薄膜表面有两个用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术沉积在薄膜表面的电极，两个电极分别通过电极引线与电压信号输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，其特征在于：所述的斜切的氧化物单晶基片(1)为c轴取向的单晶铝酸镧(LaAlO₃)、钛酸锶(SrTiO₃)或宝石(Al₂O₃)基片，斜切角度θ的范围为0°＜θ≤20°。

3.根据权利要求2所述的错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，其特征在于：所述的错配层钴氧化合物热电薄膜(2)为钙钴氧(Ca₃Co₄O₉)、钠钴氧(NaCo_0.5O₂)或铋锶钴氧(Bi₂Sr₂Co₂O₈)薄膜，薄膜厚度为20nm-2μm。

4.根据权利要求3所述的错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，其特征在于：所述的两个电极之间的间距为3-8mm，电极材料为金属Pt、Au、Ag、Al或In。

5.根据权利要求4所述的错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，其特征在于：所述的电极引线为Au、Ag或Cu材质的细导线，直径为0.01-0.2mm。

6.根据权利要求5所述的错配层钴氧化合物热电薄膜光探测器，其特征在于：所述的两根电极引线的输出端并联一个阻值为0.1-50Ω的电阻。

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