CN105552203B - 一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器。该探测器包括横向热电元件，在所述横向热电元件的上表面设置有两个对称的金属电极作为电压信号的输出端，所述金属电极通过电极引线将横向热电元件的电压信号输出端与电压表输入端相连接；所述横向热电元件包括c轴倾斜的氧化物单晶基片及生长在所述氧化物单晶基片上c轴倾斜的掺杂铋铜硒氧薄膜，所述金属电极设置在所述掺杂铋铜硒氧薄膜的上表面；所述掺杂铋铜硒氧薄膜的化学式为Bi1‑ xMxCuSeO，其中，M为Pb、Ba、Sr、Ca或Mg，0＜x＜0.2。本发明与基于本征铋铜硒氧薄膜探测器相比，可大幅提升探测灵敏度并缩短响应时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜光、热探测器，具体地说是一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器。
背景技术
横向热电效应是一种温差和电压方向相互垂直的热电效应，本质是一个光-热-电转换过程。它可以简单地表述为：当一束光辐照到c轴倾斜生长的薄膜表面时，会立即在其厚度方向建立起一温度梯度由于薄膜塞贝克系数的各向异性，会导致薄膜表面两端产生一个与温差相垂直的开路电压信号，电压幅值可用以下公式来表示：
上述公式中，α为薄膜c轴倾斜角度，0°<α<45°；ΔS为薄膜ab面与c轴方向的塞贝克系数的差值；为光照在薄膜z轴方向形成的温度梯度。近年来，横向热电型光(热)探测器在科技领域备受关注。无噪声、无需外加偏压和制冷部件、可实现全波段光探测和各种热探测是该类型光(热)探测器的优势。
现有专利CN 104900670 A公开了“一种基于铋铜硒氧(BiCuSeO)热电薄膜横向热电效应的光探测器”，该探测器利用c轴倾斜生长的BiCuSeO薄膜的横向热电效应，使得探测器不需要制冷，响应波段宽，探测灵敏度高，且能同时实现光和热的探测。但是，在308nm的脉冲光照射下，该探测器的输出电压信号幅值最大也不超过6V，导致探测器的灵敏度仍然比较低。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，该探测器与基于本征铋铜硒氧薄膜的光、热探测器相比，可大幅度提高探测器的灵敏度。
本发明的目的是这样实现的：一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，包括横向热电元件，在所述横向热电元件的上表面设置有两个对称的金属电极作为电压信号的输出端，所述金属电极通过电极引线将横向热电元件的电压信号输出端与电压表输入端相连接；所述横向热电元件包括c轴倾斜的氧化物单晶基片及生长在所述氧化物单晶基片上c轴倾斜的掺杂铋铜硒氧薄膜，所述金属电极设置在所述掺杂铋铜硒氧薄膜的上表面；所述掺杂铋铜硒氧薄膜的化学式为Bi1-xMxCuSeO，其中，M为Pb、Ba、Sr、Ca或Mg，0＜x＜0.2。
所述掺杂铋铜硒氧薄膜的厚度为50nm～500nm。
所述氧化物单晶基片为铝酸镧单晶或钛酸锶单晶。
所述氧化物单晶基片的c轴倾斜方向与所述掺杂铋铜硒氧薄膜的c轴倾斜方向一致。
所述掺杂铋铜硒氧薄膜的c轴倾斜角度α为0°＜α＜45°。
所述掺杂铋铜硒氧薄膜是利用激光分子束外延或脉冲激光沉积工艺在工作腔内溅射Bi1-xMxCuSeO多晶陶瓷靶而形成。
所述Bi1-xMxCuSeO多晶陶瓷靶的制备步骤包括：按化学式Bi1-xMxCuSeO的原子摩尔计量比称取Bi2O3、Bi、Cu、Se及元素M的氧化物或单质；将所称取的物质混合并球磨，压制成厚度为2mm～5mm、直径为20mm～40mm的圆片；利用真空封管技术将所制圆片封入石英玻璃管中，再采用固相烧结工艺进行烧结，即可得到Bi1-xMxCuSeO多晶陶瓷靶。
所述掺杂铋铜硒氧薄膜的制备工艺条件为：工作腔内的压强为10-4Pa～10-8Pa，工作腔内充入保护气氩气的压强为0.1Pa～1Pa，氧化物单晶基片与Bi1-xMxCuSeO多晶陶瓷靶间距离为5.5cm～7cm，激光频率为3Hz～5Hz，沉积温度为300℃～400℃。
两个所述金属电极之间的间距为3mm～30mm，金属电极的材料为Pt、Au、Ag、Al或In。
所述电极引线为直径为0.05mm～0.1mm的Au、Ag或Cu导线。
本发明所提供的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的横向热电型光、热探测器，通过对铋铜锡氧薄膜进行铅、钡等掺杂以优化其载流子浓度及光吸收率，可以大幅提升探测灵敏度并缩短响应时间。对于由掺杂铅、钡的铋铜硒氧薄膜(Bi0.92Pb0.08CuSeO、Bi0.95Ba0.05CuSeO)形成的探测器，在308nm脉冲激光的辐照下，探测器的横向热电压幅值可以分别达到18.9V和38V，探测灵敏度分别是基于本征铋铜硒氧薄膜探测器的2.7倍和5.5倍；响应时间也仅为70ns和160ns；而且，与基于铋锶钴氧、钇钡铜氧、镧钙锰氧薄膜等材料构成的探测器相比，探测灵敏度也有大幅度提高。因此，本发明中掺杂铋铜硒氧薄膜在高灵敏、快响应的光、热探测领域具有很好的应用前景。
本发明所提供的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的横向热电型光、热探测器，除了具有高灵敏、快响应的优点外，还具有成本低廉、制备工艺简单等的优点。
附图说明
图1是本发明中基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器的结构示意图。图中：1、光源或热源，2、掺杂铋铜硒氧薄膜，3、氧化物单晶基片，4、电极引线，5、金属电极，6、电压表。
图2是实施例1、实施例2、实施例3和对比例1中，在308nm脉冲激光辐照下，基于铅掺杂铋铜硒氧薄膜(Bi1-xPbxCuSeO，x＝0.04，0.08，0.12，0)的探测器的输出电压-时间响应曲线示意图。
图3是实施例4在532nm脉冲激光辐照下，基于铅掺杂铋铜硒氧薄膜Bi0.92Pb0.08CuSeO的探测器的输出电压-时间响应曲线示意图。
图4是实施例5和实施例6中，在308nm脉冲激光辐照下，基于钡掺杂铋铜硒氧薄膜(Bi1-xBaxCuSeO，x＝0.05，0.1)的探测器的输出电压-时间响应曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提供的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器包括横向热电元件，横向热电元件由c轴倾斜的氧化物单晶基片3及生长在氧化物单晶基片3上的c轴倾斜的掺杂铋铜硒氧薄膜2构成，氧化物单晶基片3的c轴倾斜方向与掺杂铋铜硒氧薄膜2的c轴倾斜方向一致，两者的c轴倾斜角度α可以为0°＜α＜45°。氧化物单晶基片3可以为铝酸镧(LaAlO3)单晶或钛酸锶(SrTiO3)单晶。掺杂铋铜硒氧薄膜2的厚度可以在50nm～500nm之间。
在掺杂铋铜硒氧薄膜2的上表面上设置有两个对称分布的金属电极5，金属电极5可由热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术制备。两个金属电极5的位置相对于掺杂铋铜硒氧薄膜2的中心线要严格左右对称，两个金属电极5的间距可以在3mm～30mm之间。金属电极5的材料可以选用金属Pt、Au、Ag、Al或In等。两个金属电极5用于作为横向热电元件的电压信号的输出端，两个金属电极5通过电极引线4与电压表6(或别的电压信号测试设备)的输入端相接；在光源或热源1的照射下，会在掺杂铋铜硒氧薄膜2的上表面两端产生一个开路电压信号，通过电压表6可对横向热电元件上表面的横向电压进行测量。电极引线4可以选用Au、Ag或Cu等的细导线，细导线的直径可以为0.05mm～0.1mm。
掺杂铋铜硒氧薄膜2的化学通式为Bi1-xMxCuSeO，其中，M为Pb、Ba、Sr、Ca或Mg等，0＜x＜0.2。掺杂铋铜硒氧薄膜2可以利用激光分子束外延或脉冲激光沉积技术溅射Bi1- xMxCuSeO多晶陶瓷靶而形成。掺杂铋铜硒氧薄膜2的制备工艺条件为：本底压强为10-4Pa～10-8Pa，充入保护气氩气的压强为0.1Pa～1Pa，氧化物单晶基片3与Bi1-xMxCuSeO多晶陶瓷靶间的距离为5.5cm～7cm，激光频率为3Hz～5Hz，沉积温度300℃～400℃。沉积完毕后，在压强为10-3-10-4Pa的条件下自然降至室温。
Bi1-xMxCuSeO多晶陶瓷靶的制备工艺包括如下步骤：按化学式Bi1-xMxCuSeO的原子摩尔计量比分别称取Bi2O3，单质Bi、Cu和Se，以及元素M的氧化物或单质；将所称取的物质混合并进行球磨，之后压制成厚度为2mm～5mm、直径为20mm～40mm的圆片；利用真空封管技术将所压制的圆片封入石英玻璃管中，再利用传统固相烧结技术进行烧结，即可得到Bi1- xMxCuSeO多晶陶瓷靶。
下面以具体实施例详细介绍本发明。
实施例1
1、采用脉冲激光沉积技术在c轴倾斜的LaAlO3单晶基片上制备铅掺杂的铋铜硒氧薄膜，掺铅铋铜硒氧薄膜的化学式为Bi0.96Pb0.04CuSeO，掺铅铋铜硒氧薄膜的厚度为150nm，掺铅铋铜硒氧薄膜的c轴倾斜角度为为α＝10°。
2、在掺铅铋铜硒氧薄膜上表面的左右两端镀上对称的In电极，电极直径为0.5mm，两个电极间的距离为8mm。
3、将两根直径为0.1mm的铜导线与电极相连，作为探测器的电极引线。
4、用示波器记录脉冲激光辐照到掺铅铋铜硒氧薄膜上表面时产生的电压信号，示波器输入阻抗选择为1兆欧姆档。
5、采用308nm脉冲激光作为光辐照源，光斑面积5×6mm2，能量密度0.5mJ/mm2。用示波器采集探测器输出的电压信号。
实施例2
与实施例1相比，本实施例中掺铅铋铜硒氧薄膜的化学式为Bi0.92Pb0.08CuSeO，其他步骤均与实施例1相同。
实施例3
与实施例1相比，本实施例中掺铅铋铜硒氧薄膜的化学式为Bi0.88Pb0.12CuSeO，其他步骤均与实施例1相同。
对比例1
与实施例1相比，本对比例中位于c轴倾斜的LaAlO3单晶基片上的薄膜为不掺杂任何杂质的本征铋铜硒氧薄膜，其化学式为BiCuSeO，其他步骤均与实施例1相同。
用示波器分别记录实施例1(掺铅薄膜化学通式中x＝0.04)、实施例2(掺铅薄膜化学通式中x＝0.08)、实施例3(掺铅薄膜化学通式中x＝0.12)和对比例1(不掺杂，即薄膜化学通式中x＝0)中脉冲激光辐照到薄膜表面时产生的电压信号，所得对比结果如图2所示。由图2可以看出：掺铅量为8％的薄膜样品响应灵敏度最好，相较于本征的BiCuSeO薄膜，其电压幅值由6.9V增大到18.9V，波形的衰减时间由原来的950ns减小到60ns。
实施例4
1、采用脉冲激光沉积技术在c轴倾斜的LaAlO3单晶基片上制备铅掺杂的铋铜硒氧薄膜，掺铅铋铜硒氧薄膜的化学式为Bi0.92Pb0.08CuSeO，掺铅铋铜硒氧薄膜的厚度为150nm，掺铅铋铜硒氧薄膜的c轴倾斜角度为为α＝10°。
2、在掺铅铋铜硒氧薄膜上表面的左右两端镀上对称的In电极，电极直径为0.5mm，两个电极间的距离为8mm。
3、将两根直径为0.1mm的铜导线与电极相连，作为探测器的电极引线。
4、用示波器记录脉冲激光辐照到掺铅铋铜硒氧薄膜上表面时产生的电压信号，示波器输入阻抗选择为1兆欧姆档。
5、采用532nm脉冲激光作为光辐照源，光斑面积5×6mm2，能量密度0.3mJ/mm2，用示波器采集探测器输出的电压信号。示波器记录的电压幅值为6.5V，电压探测灵敏度为0.87V/mJ，如图3所示。
实施例5
1、采用脉冲激光沉积技术在c轴倾斜的LaAlO3单晶基片上制备钡掺杂的铋铜硒氧薄膜，掺钡铋铜硒氧薄膜的化学式为Bi0.95Ba0.05CuSeO，掺钡铋铜硒氧薄膜的厚度为150nm，掺钡铋铜硒氧薄膜的c轴倾斜角度为为α＝10°。
2、在掺钡铋铜硒氧薄膜上表面的左右两端镀上对称的In电极，电极直径为0.5mm，两个电极间的距离为8mm。
3、将两根直径为0.1mm的铜导线与电极相连，作为探测器的电极引线。
4、用示波器记录脉冲激光辐照到掺钡铋铜硒氧薄膜上表面时产生的电压信号，示波器输入阻抗选择为1兆欧姆档。
5、采用308nm的XeCl准分子激光器作为辐照光源，光斑面积为5×6mm2，能量密度为0.5mJ/mm2，用示波器采集探测器输出的电压信号。
实施例6
与实施例5相比，本实施例中掺钡铋铜硒氧薄膜的化学式为Bi0.9Ba0.1CuSeO，其他步骤均与实施例5相同。
用示波器分别记录实施例5(掺钡薄膜化学通式中x＝0.05)和实施例6(掺钡薄膜化学通式中x＝0.1)中XeCl准分子激光器所发激光辐照到薄膜表面时产生的电压信号，所得对比结果如图4所示。由图4可以看出：两探测器的电压幅值分别为38.3V和33.5V，相较于本征的BiCuSeO薄膜光探测器，电压信号增大了约5倍，衰减时间由原来的950ns分别缩短为165ns和127ns。
Claims (10)
1.一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，包括横向热电元件，在所述横向热电元件的上表面设置有两个对称的金属电极作为电压信号的输出端，所述金属电极通过电极引线将横向热电元件的电压信号输出端与电压表输入端相连接；其特征是，所述横向热电元件包括c轴倾斜的氧化物单晶基片及生长在所述氧化物单晶基片上c轴倾斜的掺杂铋铜硒氧薄膜，所述金属电极设置在所述掺杂铋铜硒氧薄膜的上表面；所述掺杂铋铜硒氧薄膜的化学式为Bi1-xMxCuSeO，其中，M为Pb、Ba、Sr、Ca或Mg，0＜x＜0.2。
2.根据权利要求1所述的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，其特征是，所述掺杂铋铜硒氧薄膜的厚度为50nm~500nm。
3.根据权利要求1所述的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，其特征是，所述氧化物单晶基片为铝酸镧单晶或钛酸锶单晶。
4.根据权利要求1所述的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，其特征是，所述氧化物单晶基片的c轴倾斜方向与所述掺杂铋铜硒氧薄膜的c轴倾斜方向一致。
5.根据权利要求1所述的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，其特征是，所述掺杂铋铜硒氧薄膜的c轴倾斜角度α为0º＜α＜45º。
6.根据权利要求1所述的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，其特征是，所述掺杂铋铜硒氧薄膜是利用激光分子束外延或脉冲激光沉积工艺在工作腔内溅射Bi1-xMxCuSeO多晶陶瓷靶而形成。
7.根据权利要求6所述的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，其特征是，所述Bi1- xMxCuSeO多晶陶瓷靶的制备步骤包括：按化学式Bi1-xMxCuSeO的原子摩尔计量比称取Bi2O3，单质Bi、Cu和Se，以及元素M的氧化物或单质；将所称取的物质混合并球磨，压制成厚度为2mm~5mm、直径为20mm~40mm的圆片；利用真空封管技术将所制圆片封入石英玻璃管中，再采用固相烧结工艺进行烧结，即可得到Bi1-xMxCuSeO多晶陶瓷靶。
8.根据权利要求6所述的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，其特征是，所述掺杂铋铜硒氧薄膜的制备工艺条件为：工作腔内的压强为10-4 Pa~10-8 Pa，工作腔内充入保护气氩气的压强为0.1 Pa~1 Pa，氧化物单晶基片与Bi1-xMxCuSeO多晶陶瓷靶间距离为5.5cm~7cm，激光频率为3Hz~5Hz，沉积温度为300℃~400℃。
9.根据权利要求1所述的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，其特征是，两个所述金属电极之间的间距为3mm~30mm，金属电极的材料为Pt、Au、Ag、Al或In。
10.根据权利要求1所述的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，其特征是，所述电极引线为直径为0.05mm~0.1mm的Au、Ag或Cu导线。
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