CN103427013A - 一种原子层热电堆材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原子层热电堆材料及其应用，属于光热辐射感生电压材料技术领域。该原子层热电堆材料分子式为RE2-xDxTO4，式中RE为Y3+或La3+，D为Sr或Ba，T为过渡族金属Cu、Ni或Co，x小于1；该原子层热电堆材料的使用方法：将分子式为RE2-xDxTO4的原子层热电堆材料制成薄膜，该薄膜用于制作脉冲激光能量检测系统的探头芯。该原子层热电堆材料各向异性较大，性质稳定并可在室温及很宽的频谱范围内正常工作，该脉冲激光能量检测系统时间效应较快，可达到皮秒和飞秒量级，且不需要偏置电源。
Description
技术领域
本发明涉及一种原子层热电堆材料及其应用，属于光热辐射感生电压材料技术领域。
背景技术
主流的光热辐射测量材料可以分为两大类：光子型探测器和量热型探测器。光子型探测器多基于半导体材料。当入射光子的能量高于能隙或杂质能级时，可将电子或空穴激发成为自由载流子，通过测量感生电压、电导率的变化，从而使入射辐射被测量。但是这类材料大多只在确定而有限的光波长下工作。并且工作波长越长，信号噪声也越大，为了降低噪声，材料和器件必须致冷。如用HgCdTe材料制造的红外测量仪、成像仪。
量热型探测器也分很多种，多是基于晶体受热时物理参数的改变，通过测量物理参数的变化推知晶体接收的热辐射。如利用超导体从正常态到超导态转变点附近的电阻对热的极端敏感而制造的Bolometer，如利用热释电效应制造的红外探测器等。这类探测器的不足是时间响应很慢，通常最快也是毫秒量级。
新的一类光热辐射探测器是基于各向异性的Seebeck效应。最先在YBa2Cu3O7-δ（YBCO）中发现，人们认为YBCO晶胞中的导电层，绝缘层就组成了热电偶中的两个组元，因此称其为原子层热电堆材料。这类材料由于晶体结构的各向异性，当沉积在倾斜的单晶衬底上时就组成了串联起来的无数个热电偶，当上下表面有温差时，就会产生电压，从而用于辐射测量。人们利用此效应已开发了几种光、热辐射探测器。其优点是在很宽的频谱（从红外到紫外）内均有很高的响应率而时间常数很小。其唯一的缺点是YBCO在使用环境中的稳定性差。另一类原子层热电堆材料是LaCaMnO3（LCMO）类材料，它们也有很好光热感生电压效应，但是由于电导率的各向异性小而灵敏度较低。
同时上述光子型测量仪和量热型测量仪大多需要施加偏压或偏流，从而造成暗电流、热噪声之类的干扰，同时也是消耗能量的器件。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种原子层热电堆材料及其应用。该原子层热电堆材料各向异性较大，性质稳定并可在室温及很宽的频谱范围内正常工作，该脉冲激光能量检测系统时间效应较快，可达到皮秒和飞秒量级，且不需要偏置电源，本发明通过以下技术方案实现。
一种原子层热电堆材料，该材料分子式为RE2-xDxTO4，式中RE为Y3+或La3+，D为Sr或Ba，T为过渡族金属Cu、Ni或Co，x小于1。
一种上述原子层热电堆材料的使用方法，将分子式为RE2-xDxTO4的原子层热电堆材料制成薄膜。
所述薄膜用于制作脉冲激光能量检测系统的探头芯。
上述脉冲激光能量检测系统，包括传感器探头1和高速采集系统3，传感器探头1包括探头前端座4、探头中部5、探头芯6、探头后端座7和石英玻璃片8，传感器探头1通过信号连接线2与高速采集系统3连接，探头前端座4依次与探头中部5、探头后端座7连接，石英玻璃片8安装在探头前端座4窗口，探头芯6安装到探头后端座7上。
上述高速采集系统3包括高速数据采集卡和装有LIV软件系统的电脑，高速数据采集卡安装在电脑主板PCI或其他高速插槽上，其他高速插槽如PCIE、USB。
上述LIV软件系统包括采集卡驱动模块、信号采集模块和数据处理及显示模块。脉冲激光能量照射到传感器探头1时，传感器探头1将能量信号转化为电信号，采集卡驱动模块驱动采集卡用于将电信号传递给信号采集模块，同时信号采集模块将电信号转化为能量信号，并传递给数据处理及显示模块，最终获得入射脉冲激光的能量数值及其信号响应波形。
上述原子层热电堆材料薄膜的制作方法为：用已知技术如PLD（脉冲激光沉积）、射频溅射（RF）、MBE（分子束外延）、MOCVD（金属有机化学气相沉积）将RE2-xDxTO4外延沉积在倾斜取向的表面法向与晶体(001)轴之间有15o倾斜取向的单晶衬底上，单晶衬底为LaAlO3。
上述原子层热电堆材料薄膜经光刻、电极制作后便可用于光热辐射的测量，其原理为：原子层热电堆材料在短脉冲激光的照射下，上表面的温度升高，而下表面上仍处于常温时，由温差而感生出的电压由下式表达：
式中：U(t)为在X方向上感生的电压的时间变化值；
l为薄膜长度；
d为薄膜厚度；
（S ab -S c ）为这类材料的Seebeck系数在ab面内和c方向上的差值；
E为入射脉冲激光的能量；
D、c 0 、ρ分别为材料的热扩散系数、比热和密度；
δ为所用激光在材料中的穿透深度。
该脉冲激光能量检测系统的使用方法：如图1至3所示，探头芯6由分子式为RE2-xDxTO4的原子层热电堆材料薄膜制成，当脉冲激光能量照射到传感器探头1时，上述原子层热电堆材料薄膜由于Z轴方向上下表面之间产生温差，因此原子层热电堆材料薄膜X轴方向A、B电极之间产生横向电压，电压通过信号连接线2传递给高速采集系统3，最终获得入射脉冲激光的能量数值及其信号响应波形。
本发明的有益效果是：（1）该原子层热电堆材料各向异性较大，性质稳定并可在室温及很宽的频谱范围内正常工作；（2）该脉冲激光能量检测系统时间效应较快，可达到皮秒和飞秒量级，且不需要偏置电源。
附图说明
图1是本发明脉冲激光能量检测系统示意图；
图2是本发明脉冲激光能量检测系统传感器探头1结构示意图；
图3是本发明脉冲激光能量检测系统中分子式为RE2-xDxTO4的原子层热电堆材料薄膜的示意图；
图4本发明分子式为La2-xSrxNiO4原子层热电堆材料薄膜在脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图；
图5本发明分子式为Y2-xBaxCuO4原子层热电堆材料薄膜在脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图；
图6本发明分子式为La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料薄膜在脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图。
图中：1-传感器探头，2-信号连接线，3-高速采集系统，4-探头前端座，5-探头中部，6-探头芯，7-探头后端座，8-石英玻璃片，9-RE2-xDxTO4，10-LaAlO3单晶衬底。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
该原子层热电堆材料分子式为La2-xSrxNiO4，如图3所示该原子层热电堆材料制成薄膜的方法为：采用PLD（脉冲激光沉积）将La2-xSrxNiO4外延沉积在倾斜取向的表面法向与晶体(001)轴之间有15o倾斜取向的LaAlO3单晶衬底上。La2-xSrxNiO4原子层热电堆材料薄膜在248nm脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图如图4所示，感生电压一般可达伏的量级，上升前沿为13ns，因此La2-xSrxNiO4原子层热电堆材料薄膜是一种快响应，高灵敏光探测材料。
如图1、2所示，该脉冲激光能量检测系统，包括传感器探头1和高速采集系统3，传感器探头1包括探头前端座4、探头中部5、探头芯6、探头后端座7和石英玻璃片8，传感器探头1通过信号连接线2与高速采集系统3连接，探头前端座4依次与探头中部5、探头后端座7连接，石英玻璃片8安装在探头前端座4窗口，探头芯6安装到探头后端座7上，探头芯6由La2-xSrxNiO4原子层热电堆材料制成的薄膜构成。其中高速采集系统3包括高速数据采集卡和装有LIV软件系统的电脑，高速数据采集卡安装在电脑主板PCI插槽上；LIV软件系统包括采集卡驱动模块、信号采集模块和数据处理及显示模块。
实施例2
该原子层热电堆材料分子式为Y2-xBaxCuO4，如图3所示该原子层热电堆材料制成薄膜的方法为：采用射频溅射（RF）将Y2-xBaxCuO4外延沉积在倾斜取向的表面法向与晶体(001)轴之间有15o倾斜取向的LaAlO3单晶衬底上。Y2-xBaxCuO4原子层热电堆材料薄膜在248nm脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图如图5所示，感生电压一般可达伏的量级，上升前沿为49ns，因此Y2-xBaxCuO4原子层热电堆材料薄膜是一种快响应，高灵敏光探测材料。
如图1、2所示，该脉冲激光能量检测系统，包括传感器探头1和高速采集系统3，传感器探头1包括探头前端座4、探头中部5、探头芯6、探头后端座7和石英玻璃片8，传感器探头1通过信号连接线2与高速采集系统3连接，探头前端座4依次与探头中部5、探头后端座7连接，石英玻璃片8安装在探头前端座4窗口，探头芯6安装到探头后端座7上，探头芯6由Y2-xBaxCuO4原子层热电堆材料制成的薄膜构成。其中高速采集系统3包括高速数据采集卡和装有LIV软件系统的电脑，高速数据采集卡安装在电脑PCIE高速数据接口插槽上；LIV软件系统包括采集卡驱动模块、信号采集模块和数据处理及显示模块。
实施例3
该原子层热电堆材料分子式为La2-xSrxCoO4，如图3所示该原子层热电堆材料制成薄膜的方法为：采用MBE（分子束外延）将La2-xSrxCoO4外延沉积在倾斜取向的表面法向与晶体(001)轴之间有15o倾斜取向的LaAlO3单晶衬底上。La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料薄膜在248nm脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图如图6所示，感生电压一般可达伏的量级，上升前沿为12ns，因此La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料薄膜是一种快响应，高灵敏光探测材料。
如图1、2所示，该脉冲激光能量检测系统，包括传感器探头1和高速采集系统3，传感器探头1包括探头前端座4、探头中部5、探头芯6、探头后端座7和石英玻璃片8，传感器探头1通过信号连接线2与高速采集系统3连接，探头前端座4依次与探头中部5、探头后端座7连接，石英玻璃片8安装在探头前端座4窗口，探头芯6安装到探头后端座7上，探头芯6由La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料制成的薄膜构成。其中高速采集系统3包括高速数据采集卡和装有LIV软件系统的电脑，高速数据采集卡安装在电脑USB高速数据接口插槽上；LIV软件系统包括采集卡驱动模块、信号采集模块和数据处理及显示模块。
实施例4
该原子层热电堆材料分子式为La2-xSrxCoO4，如图3所示该原子层热电堆材料制成薄膜的方法为：采用MOCVD（金属有机化学气相沉积）将La2-xSrxCoO4外延沉积在倾斜取向的表面法向与晶体(001)轴之间有15o倾斜取向的LaAlO3单晶衬底上。La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料薄膜在248nm脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图如图6所示，感生电压一般可达伏的量级，上升前沿为12ns，因此La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料薄膜是一种快响应，高灵敏光探测材料。
如图1、2所示，该脉冲激光能量检测系统，包括传感器探头1和高速采集系统3，传感器探头1包括探头前端座4、探头中部5、探头芯6、探头后端座7和石英玻璃片8，传感器探头1通过信号连接线2与高速采集系统3连接，探头前端座4依次与探头中部5、探头后端座7连接，石英玻璃片8安装在探头前端座4窗口，探头芯6安装到探头后端座7上，探头芯6由La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料制成的薄膜构成。其中高速采集系统3包括高速数据采集卡和装有LIV软件系统的电脑，高速数据采集卡安装在电脑主板PCI插槽上；LIV软件系统包括采集卡驱动模块、信号采集模块和数据处理及显示模块。
Claims (3)
1.一种原子层热电堆材料，其特征在于：该材料分子式为RE2-xDxTO4，式中RE为Y3+或La3+，D为Sr或Ba，T为过渡族金属Cu、Ni或Co，x小于1。
2.一种权利要求1所述原子层热电堆材料的使用方法，其特征在于：将分子式为RE2-xDxTO4的原子层热电堆材料制成薄膜。
3.根据权利要求2所述的使用方法，其特征在于：所述薄膜用于制作脉冲激光能量检测系统的探头芯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20131204 |