CN104701336B - 一种高灵敏横向热电光探测器 - Google Patents
一种高灵敏横向热电光探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏横向热电光探测器，属于探测设备技术领域，结构中包括单晶基片及覆于单晶基片上的横向热电元件，关键在于：所述的横向热电元件为在单晶基片上沿c轴倾斜生长的层状钴氧化物金属纳米复合热电薄膜，在复合热电薄膜上表面设置两个金属电极，两个金属电极借助导线与电压表输入端相连。本发明探测器制备简单、成本低廉、响应灵敏度高、响应时间快、能实现宽光谱探测和热辐射探测。
Description
技术领域
本发明属于光探测设备技术领域，涉及一种高灵敏横向热电光探测器。
背景技术
横向热电效应是一种温差和电压/电流方向相互垂直的热电效应。这种特殊的热电效应源于材料塞贝克系数的各向异性，通常只能在c轴倾斜生长的薄膜、单晶及人工构建的金属－金属或金属-半导体多层倾斜结构中观测的到。它可以简单地描述为：当一束激光辐照到沿c轴倾斜生长的薄膜样品表面上时，样品的表层在吸收了入射光能量后，立即在薄膜样品上下表面建立起一个纵向的温度差ΔT，同时由于薄膜塞贝克系数的各项异性，则会在薄膜表面两端观测到一个横向电压信号。其中，横向热电效应的输出电压信号的幅值与薄膜材料ab面方向和c轴方向的塞贝克系数的差值ΔS、材料的c轴倾斜生长角度α二倍的正弦值及材料上下表面的温差ΔT等成正比。近年来，基于横向热电效应制作的新型光探测器备受关注，这种横向热电光探测器不需要制冷，探测响应灵敏度高、响应时间快，能同时实现光和热探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种探测响应灵敏度高、响应时间快且能同时实现光和热探测的光探测器，设计了一种高灵敏横向热电光探测器，制备简单、成本低廉、响应灵敏度高、响应时间快、能实现宽光谱探测和热辐射探测。
本发明采用的技术方案是：一种高灵敏横向热电光探测器，结构中包括单晶基片及覆于单晶基片上的横向热电元件，关键在于：所述的横向热电元件为在单晶基片上沿c轴倾斜生长的层状钴氧化物金属纳米复合热电薄膜，在复合热电薄膜上表面设置两个金属电极，两个金属电极借助导线与电压表输入端相连。
还有，所述的两个金属电极在复合热电薄膜上相对于上表面中心位置左右对称，金属电极直径为0.2-0.5mm，两电极间距为6-8mm，电极材料为金属Pt、或Au、或Ag、或Al、或In。
所述的单晶基片是铝酸镧LaAlO3、钛酸锶SrTiO3或宝石Al2O3基片，斜切角度为0°-45°。
所述的导线是Au或Ag或Cu材质，直径为0.1-0.2mm。
所述的金属纳米复合中金属纳米颗粒在层状钴氧化物薄膜中的原子数百分含量范围为0.1-5at％，所述的金属是纯度为99.99％的Au，金属纳米颗粒的粒径为1-20nm。
所述的层状钴氧化物金属纳米复合热电薄膜的制备方法步骤中包括：
A、陶瓷靶材的制备：利用高温固相反应法烧结钴氧化物陶瓷靶材；
B、脉冲激光沉积薄膜
在钴氧化物陶瓷靶材上贴上扇形金属薄片，制成复合靶，将复合靶放入PLD腔体，通过脉冲激光沉积技术在单晶基底上生长c轴取向的钴氧化物金属纳米复合预制薄膜；
C、退火处理，得到c轴取向的层状钴氧化物金属纳米复合热电薄膜。
所述的钴氧化物陶瓷靶材是Bi2Sr2Co2O8靶材，该靶材的制备过程为：将纯度为99.99％的Bi2O3、SrCO3、Co3O4粉末按化学式中原子比例称量，混合均匀后置于750-850℃的高温退火炉中预烧结8-12小时，然后将粉末充分研磨并压制成片，在860-880℃的温度下烧结38-42小时，制得沉积所用的Bi2Sr2Co2O8靶材。
所述的Bi2Sr2Co2O8靶材经过步骤B后的退火过程如下：预制薄膜沉积完毕后，在PLD沉积室内自然降温至室温，降温时需向沉积室中通入流动的纯度为99.99％的氧，氧压为40-80Pa，得到c轴取向的透明导电Bi2Sr2Co2O8金属纳米复合热电薄膜。
所述的扇形金属薄片的金属是纯度为99.99％的Au，该扇形金属薄片半径和陶瓷靶材的半径相等，圆心角为40-60°。
步骤B中所述的脉冲激光沉积技术的激光频率1-10Hz，激光能量密度1.5-3mJ/cm2，本底真空10-4-10-5Pa，氧压1×10-2-80Pa，基底温度600-700℃，基底和靶材之间的距离为40-60mm。
本发明的有益效果是：本发明的关键在于制备该光探测器的横向热电元件用的是层状钴氧化物金属纳米复合热电薄膜，这样在层状钴氧化合物薄膜中加入金属颗粒后可以优化薄膜对光辐射的吸收及薄膜材料的电、热输运参量，使ΔT和ΔS值进一步增大，从而使薄膜对辐照光的探测灵敏度大幅度提高，所以，本探测器相比于传统的探测器灵敏度成倍提高。
附图说明
图1为本发明对光辐射探测的剖面示意图。
图2为：在308nm紫外脉冲光辐照下Bi2Sr2Co2O8/Au纳米复合薄膜光探测器的输出电压-时间响应曲线，其中Au在薄膜中的原子数百分含量为0.8at％。
图3为：在532nm可见连续光辐照下Bi2Sr2Co2O8/Au纳米复合薄膜光探测器的输出电压-时间响应曲线，其中Au在薄膜中的原子数百分含量为0.8at％。
图4为：在308nm紫外脉冲光辐照下Bi2Sr2Co2O8/Au金属纳米复合薄膜光探测器的输出电压-时间响应曲线，其中Au在薄膜中的原子数百分含量为1.5at％。
附图中1代表单晶基片，2代表横向热电元件，3代表金属纳米颗粒，4代表探测光束，5代表金属电极，6代表导线，7代表电压表，α代表斜切角度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明是用光束辐照探测器表层，利用电压表记录其电压信号的变化。
实施例1、Bi2Sr2Co2O8/Au(0.8at％)纳米复合薄膜光探测器对308nm紫外脉冲光的探测
1.选用已知的脉冲激光沉积条件在c轴斜切10度的LaAlO3单晶基底上制备一层厚度为90nm沿c轴倾斜生长的Bi2Sr2Co2O8/Au纳米复合薄膜，其中Au在薄膜中的原子数百分含量为0.8at％，晶粒大小为5-10nm；具体的制备复合薄膜的过程为：
A、将纯度为99.99％的Bi2O3、SrCO3、Co3O4粉末按化学式中原子比例称量，混合均匀后置于750-850℃的高温退火炉中预烧结8-12小时，然后将粉末充分研磨并压制成片，在860-880℃的温度下烧结38-42小时，制得沉积所用的Bi2Sr2Co2O8靶材；
B、在Bi2Sr2Co2O8靶材上贴上圆心角为45°的扇形Au薄片，该扇形Au薄片半径和Bi2Sr2Co2O8靶材的半径相等制成复合靶，将复合靶放入PLD腔体，通过脉冲激光沉积技术在单晶基底上生长c轴取向的Bi2Sr2Co2O8/Au复合预制薄膜；
C、氧气氛围自然降温退火：
预制薄膜沉积完毕后，在PLD沉积室内自然降温至室温，降温时需向沉积室中通入流动的纯度为99.99％的氧，氧压为40-80Pa，得到c轴取向的透明导电Bi2Sr2Co2O8金属纳米复合热电薄膜；
2.在纳米复合薄膜上表面左右两侧对称地制备两个Ag电极，电极直径为0.5mm,电极间距为8mm；
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.由两根铜导线引出作为输出端，与示波器输入端相连，示波器输入阻抗选用1兆欧姆档；
5.用波长为308nm的XeCl准分子激光器提供的紫外脉冲光照射探测器表面中心位置。用示波器采集探测器输出电压信号，附图1为剖面示意图。
参见附图2，由示波器记录下来的308nm紫外脉冲光照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号可以看出，与用单一Bi2Sr2Co2O8热电薄膜制备的横向热电光探测器相比本发明中金属纳米复合热电薄膜探测灵敏度提高了12倍以上。
实施例2：Bi2Sr2Co2O8/Au(0.8at％)纳米复合薄膜光探测器对532nm连续可见光的探测
1.重复实施例1中的步骤1-4；
2.用波长为532nm的连续激光器提供的可见光照射探测器表面中心位置。用示波器采集探测器输出电压信号。
参见附图3，由示波器记录下来的532nm可见光照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号可以看出，与用单一Bi2Sr2Co2O8热电薄膜制备的横向热电光探测器相比，本发明中金属纳米复合热电薄膜探测灵敏度提高了12倍以上。
实施例3：Bi2Sr2Co2O8/Au(1.5at％)纳米复合薄膜光探测器对308nm紫外脉冲光的探测
1.选用已知的脉冲激光沉积条件在c轴斜切10度的LaAlO3单晶基底上制备一层厚度为90nm沿c轴倾斜生长的Bi2Sr2Co2O8/Au纳米复合薄膜，其中Au在薄膜中的原子数百分含量为1.5at％，晶粒大小为5-10nm，具体制备该纳米复合薄膜的过程如实施例1中步骤；
2.在纳米复合薄膜上表面左右两侧对称地制备两个Ag电极，电极直径为0.5mm,电极间距为8mm；
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.由两根铜导线引出作为输出端，与示波器输入端相连，示波器输入阻抗选用1兆欧姆档；
5.用波长为308nm的XeCl准分子激光器提供的紫外脉冲光照射探测器表面中心位置。用示波器采集探测器输出电压信号。
参见附图4，由示波器记录下来的308nm紫外脉冲光照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号可以看出，与用单一Bi2Sr2Co2O8热电薄膜制备的横向热电光探测器相比本发明中金属纳米复合热电薄膜探测灵敏度提高了6倍以上。
Claims (10)
1.一种高灵敏横向热电光探测器，结构中包括单晶基片及覆于单晶基片上的横向热电元件，其特征在于：所述的横向热电元件为在单晶基片上沿c轴倾斜生长的层状钴氧化物金属纳米复合热电薄膜，在复合热电薄膜上表面设置两个金属电极，两个金属电极借助导线与电压表输入端相连, 所述的层状钴氧化物金属纳米复合热电薄膜为c轴倾斜生长的Bi2Sr2Co2O8/Au纳米复合热电薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏横向热电光探测器，其特征在于：所述的两个金属电极在复合热电薄膜上相对于上表面中心位置左右对称，金属电极直径为0.2-0.5mm，两电极间距为6-8 mm，电极材料为金属Pt、或Au、或Ag、或Al、或In。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏横向热电光探测器，其特征在于：所述的单晶基片是铝酸镧LaAlO3、 钛酸锶SrTiO3或宝石Al2O3基片，斜切角度为0o-45 o。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏横向热电光探测器，其特征在于：所述的导线是Au或Ag或Cu材质，直径为0.1-0.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏横向热电光探测器，其特征在于：所述的金属纳米复合中金属纳米颗粒在层状钴氧化物薄膜中的原子数百分含量范围为0.1-5 at%，所述金属纳米颗粒中的金属是纯度为99.99%的Au，金属纳米颗粒的粒径为1-20nm。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏横向热电光探测器，其特征在于：所述的层状钴氧化物金属纳米复合热电薄膜的制备方法步骤中包括：
A、陶瓷靶材的制备：利用高温固相反应法烧结钴氧化物陶瓷靶材；
B、脉冲激光沉积薄膜
在钴氧化物陶瓷靶材上贴上扇形金属薄片，制成复合靶，将复合靶放入PLD腔体，通过脉冲激光沉积技术在单晶基底上生长c轴取向的钴氧化物金属纳米复合预制薄膜；
C、退火处理，得到c轴取向的层状钴氧化物金属纳米复合热电薄膜。
7.根据权利要求6所述的一种高灵敏横向热电光探测器，其特征在于：所述的钴氧化物陶瓷靶材是Bi2Sr2Co2O8靶材，该靶材的制备过程为：将纯度为99.99%的Bi2O3、SrCO3、Co3O4粉末按化学式中原子比例称量，混合均匀后置于750-850℃的高温退火炉中预烧结8-12小时，然后将粉末充分研磨并压制成片，在860-880 oC的温度下烧结38-42小时，制得沉积所用的Bi2Sr2Co2O8靶材。
8.根据权利要求7所述的一种高灵敏横向热电光探测器，其特征在于：所述的Bi2Sr2Co2O8靶材经过步骤B后的退火过程如下：预制薄膜沉积完毕后，在PLD沉积室内自然降温至室温，降温时需向沉积室中通入流动的纯度为99.99%的氧，氧压为40-80 Pa，得到c轴取向的透明导电Bi2Sr2Co2O8金属纳米复合热电薄膜。
9.根据权利要求6所述的一种高灵敏横向热电光探测器，其特征在于：所述的扇形金属薄片的金属是纯度为99.99%的Au，该扇形金属薄片半径和陶瓷靶材的半径相等，圆心角为40-60°。
10.根据权利要求6所述的一种高灵敏横向热电光探测器，其特征在于：步骤B中所述的脉冲激光沉积技术的激光频率1-10Hz，激光能量密度1.5-3mJ/cm2，本底真空10-4-10-5Pa，氧压1×10-2-80Pa，基底温度600-700 oC，基底和靶材之间的距离为40-60mm。
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