CN111403585A - 一种基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器及其制备方法，光、热探测器包括横向热电元件、金属电极及金属引线，在横向热电元件的上表面设置有两个对称的金属电极，金属引线与金属电极相连接；横向热电元件包括铋硒碲薄膜，该铋硒碲薄膜沿c轴倾斜生长在斜切氧化物单晶基片上。本发明探测器的探测元件结构简单、制备方法简便、成本低廉，所得光、热探测器探测光谱波段宽，探测灵敏度高，响应时间快，且可探测各种热辐射，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型光、热探测器，具体地说是涉及一种基于铋硒碲薄膜材料横向热电效应设计的光、热探测器及其制备方法。
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。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。基于横向热电效应设计制作的光、热探测器不仅可以实现从紫外到远红外的宽光谱探测和各种热辐射探测，而且无需制冷、无需外加电源、可工作在高温等极端环境下等优点，在军事和国民经济各领域具有重要应用前景。
目前这种探测器多选用铜氧化物高温超导薄膜、锰氧化物巨磁阻薄膜、层状钴氧化物热电薄膜等多元氧化物薄膜材料作为探测元件，制备工艺复杂、成本较高，且探测器的输出电压灵敏度偏低、时间响应较长，不利于商业推广。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器，以解决现有多元氧化物薄膜材料制成的横向热电元件工艺复杂、成本高、性能待提升的问题。
本发明的目的之二是提供一种基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器的制备方法，以制备得到探测灵敏度高、响应时间快且成本低廉的光、热探测器。
本发明的目的之一是这样实现的：
一种基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器，包括横向热电元件、金属电极及金属引线，在横向热电元件的上表面设置有两个对称的金属电极，所述金属电极用于收集电压，所述金属引线与所述金属电极相连接，用以传输电压信号；所述横向热电元件包括铋硒碲薄膜，该铋硒碲薄膜沿c轴倾斜生长在斜切氧化物单晶基片上。
所述铋硒碲薄膜的厚度为30~150nm，优选80~120 nm，更优选100 nm；优选地，所述铋硒碲为Bi2SexTe3-x, 0＜x＜1。
所述氧化物单晶基片为（001）取向，斜切角度θ为0°＜θ＜30°，即铋硒碲薄膜沿c轴倾斜生长的角度为0°＜θ＜30°。可选地，所述氧化物单晶基片为铝酸镧、钛酸锶、铝酸锶钽镧、氧化镁或蓝宝石等。
可选地，所述金属电极为金、银、铂或铟等。
可选地，所述金属引线的直径d为0<d<0.2 mm。
所述铋硒碲薄膜是采用脉冲激光沉积技术生长在氧化物单晶基片上的；可采用现有技术中已有的方法优选固态粉末烧结法制备铋硒碲靶材。
该基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器可以实现从紫外至红外的全光谱探测，也可以实现各种热辐射探测。用波长为308 nm、辐照能量为0.25 mJ/mm2的紫外脉冲激光辐照该探测器时，输出电压的范围分别为5~11 V。优选地，当铋硒碲薄膜的厚度为100 nm时，探测器输出开路电压为11 V，响应时间为100 ns；用波长为532 nm、辐照能量为100 mW的连续光辐照该探测器时，输出电压的范围分别为100-150 µV。优选地，当铋硒碲薄膜的厚度为100 nm时，探测器输出开路电压信号幅值为150 µV；用波长为1064 nm、激光能量为100 mW的近红外连续光辐照该探测器时，输出电压的范围分别为60~90 µV。优选地，当铋硒碲薄膜的厚度为100 nm时，探测器输出开路电压信号幅值为90 µV；用波长为1550 nm、激光能量为100 mW的近红外连续光辐照该探测器时，输出电压的范围分别为30~45µV。优选地，当铋硒碲薄膜的厚度为100 nm时，探测器输出开路电压信号幅值为45 µV；当该探测器受热时，输出电压的范围分别为150~230 µV。优选地，当铋硒碲薄膜的厚度为100 nm时，其输出电压幅值为230 µV。
本发明的目的之二是这样实现的：
一种基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器的制备方法，包括如下步骤：
（a）将铋硒碲靶材、清洁干燥的氧化物单晶基片安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（b）在脉冲激光沉积设备中用激光轰击铋硒碲靶材，在斜切氧化物单晶基片上生长铋硒碲，得到沿c轴倾斜生长的铋硒碲薄膜及包括该铋硒碲薄膜的横向热电元件；
（c）在横向热电元件的上表面制备两个对称的金属电极；
（d）在所得金属电极上连接金属引线。
步骤（a）中，采用固态粉末烧结法制备铋硒碲靶材；将氧化物单晶基片采用超声波清洗干净，并在惰性气氛下干燥，得到清洁干燥的氧化物单晶基片。
步骤（b）中，脉冲激光沉积设备的沉积温度为250~350℃，优选300℃；氧分压为0.1~1 Pa；激光能量为1.2 J/cm2，激光频率为5 Hz，靶材与基板间的距离为4 cm。所述铋硒碲薄膜的厚度为30~150nm，优选80~120 nm；更优选100 nm；优选地，所述铋硒碲为Bi2SexTe3-x,0＜x＜1。所述氧化物单晶基片为（001）取向，斜切角度θ为0°＜θ＜30°。铋硒碲薄膜沿c轴倾斜生长的角度为0°＜θ＜30°。可选地，所述氧化物单晶基片为铝酸镧、钛酸锶、铝酸锶钽镧、氧化镁或蓝宝石等。
步骤（c）中，采用蒸镀、磁控溅射或脉冲激光沉积等技术在横向热电元件的上表面制备两个对称的金属电极。可选地，所述金属电极为金、银、铂或铟等。
步骤（d）中，所述金属引线的直径d为0<d<0.2 mm。
本发明采用脉冲激光沉积技术将铋硒碲沉积在斜切氧化物单晶基片上，得到沿c轴倾斜生长的铋硒碲薄膜，并利用其横向热电效应制备光、热探测器。该探测器不仅工艺简单、成本低廉，且探测灵敏度高、响应时间快，同时也可实现各种热辐射的探测，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是实施例1所制备铋硒碲薄膜材料的X射线衍射图。
图2是本发明中光、热探测器的结构示意图。
图3是308 nm紫外脉冲激光辐照实施例2所得基于铋硒碲薄膜的光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图4是532 nm可见连续激光辐照实施例2所得基于铋硒碲薄膜的光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图5是1064 nm红外连续激光辐照实施例2所得基于铋硒碲薄膜的光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图6是1550 nm近红外连续激光辐照实施例2所得基于铋硒碲薄膜的光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图7是电烙铁热辐照实施例2所得基于铋硒碲薄膜的光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明的保护范围。
在下述实施例中未详细描述的过程和方法是本领域公知的常规方法，实施例中所用试剂均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。本发明选用不同波长的激光辐照横向热电元件的表面，采用示波器或源表记录电压信号。
实施例1
采用脉冲激光沉积技术在c轴斜切10度的铝酸镧（001）单晶基片上生长100 nm硒掺杂含量为30%的铋硒碲热电薄膜（分子式为Bi2Se0.3Te2.7）。该铋硒碲薄膜材料的制备方法包括如下步骤：
采用固态粉末烧结法制备铋硒碲靶材：将纯度为99.99%的铋粉、硒粉和碲粉按照摩尔比Bi:Se:Te=20:3:27称量药品，用球磨机将这三种粉混合均匀，放入抽真空的石英管内，封管后放置在马沸炉中以300℃每小时的升温速率升至600℃，煅烧20 h，自然冷却后取出，再次用球磨机混合均匀后，使用液压机将倒入磨具（12 mm）中的粉末压制成型10分钟后取出，即可得到纯相的铋硒碲靶材Bi2Se0.3Te2.7。
将所制备的铋硒碲靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用。
将斜切10度的钛酸锶基板分别在无水乙醇、去离子水中超声清洗10 min，重复上述操作两次，氮气枪吹干后安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用。
设定脉冲激光沉积设备的沉积温度为300℃，激光能量为1.2 J/cm2，激光频率为5Hz，靶材与基板间的距离为4 cm，氧分压为0.1 Pa。用激光轰击铋硒碲靶材，在c轴斜切10度的铝酸镧（001）单晶基片上沉积一层厚度为100 nm的铋硒碲薄膜，并以2 ℃/min的速率冷却至室温，即可得到沿c轴倾斜生长的铋硒碲薄膜。
将所得铋硒碲薄膜进行表征，其X射线衍射图如图1所示。由图可知，所得薄膜材料为铋硒碲，且铋硒碲薄膜沿c轴倾斜生长，倾斜角度为10度。
实施例2
采用实施例1所得在c轴倾斜生长的铋硒碲薄膜作为横向热电元件，通过蒸镀、磁控溅射或人工压铟等方式在横向热电元件的表面制作金属电极，在金属电极上连接两根引线，以经过电极收集电压信号和引线传输电压信号，制得全光谱光、热探测器。
具体地，在所得c轴倾斜生长的铋硒碲薄膜表面左右两侧对称地制备两个铟电极，电极直径为0.1 mm，电极间距为8 mm；用铟球将直径为0.1 mm的两根金线分别压在两个铟电极上作为信号传输引线，即可得到基于铋硒碲薄膜的光、热探测器。
实施例3
用波长为308 nm紫外脉冲激光辐照实施例2所得的基于铋硒碲薄膜的光、热探测器表面中心位置，采集示波器采集探测器的输出开路电压信号，示波器输入阻抗为1M欧姆。图3为308 nm脉冲激光辐照时探测器的输出开路电压信号。当激光辐照能量为0.25 mJ/mm2时，探测器输出开路电压为11 V，响应时间为100 ns，表明该探测器的探测灵敏度高、响应时间快。
实施例4
用波长为532 nm连续光激光器提供的可见光照射实施例2所得的基于铋硒碲薄膜的光、热探测器表面中心位置，利用电压表采集探测器的输出电压信号。图4为532 nm连续光辐照时探测器的输出开路电压信号。当激光辐照能量为100 mW时，探测器输出开路电压信号幅值为150 µV，对连续光的探测灵敏度也很高。
实施例5
用波长为1064 nm连续光激光器提供的近红外光辐照实施例2所得的基于铋硒碲薄膜的光、热探测器表面中心位置，利用电压表采集探测器的输出开路电压信号。当激光能量为100 mW时，1064 nm近红外连续激光辐照到探测器表面上所产生的输出开路电压信号如图5所示，输出电压幅值为90 µV。
实施例6
用波长为1550 nm连续光激光器提供的近红外光辐照实施例2所得的基于铋硒碲薄膜的光、热探测器表面中心位置，利用电压表采集探测器的输出开路电压信号。当激光能量为100 mW时，1550 nm近红外激光辐照到探测器表面上所产生的输出开路电压信号如图6所示，输出电压幅值为45 µV。
实施例7
采用电烙铁为热源对实施例2所的的基于铋硒碲薄膜的光、热探测器表面进行加热，用超薄导热胶将表面平整的铜片粘在钌酸锶薄膜表面，以保证薄膜表面两电极间受热均匀。用电压表记录输出电压信号，得到探测器输出电压-时间响应曲线如图7所示。图7显示探测器的输出电压幅值为230 µV，说明该探测器不仅可以实现从紫外一直到红外的全光谱探测，也可以实现各种热辐射探测。
上述实施例仅为说明本发明的制备工艺及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器，包括横向热电元件、金属电极及金属引线，其特征在于，在横向热电元件的上表面设置有两个对称的金属电极，所述金属电极用于收集电压，所述金属引线与所述金属电极相连接，用以传输电压信号；所述横向热电元件包括铋硒碲薄膜，该铋硒碲薄膜沿c轴倾斜生长在斜切氧化物单晶基片上。
2.根据权利要求1所述的基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器，其特征在于，所述铋硒碲薄膜的厚度为30~150nm。
3.根据权利要求1所述的基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器，其特征在于，所述斜切氧化物单晶基片c轴斜切角度θ为0°<θ<30°。
4.根据权利要求1所述的基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器，其特征在于，所述氧化物单晶基片为铝酸镧、钛酸锶、铝酸锶钽镧、氧化镁或蓝宝石。
5.根据权利要求1所述的基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器，其特征在于，所述金属电极为金、银、铂或铟。
6.根据权利要求1所述的基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器，其特征在于，金属引线的直径d为0<d<0.2 mm。
7.权利要求1所述基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（a）将铋硒碲靶材、清洁干燥的斜切氧化物单晶基片安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（b）在脉冲激光沉积设备中用激光轰击铋硒碲靶材，在斜切氧化物单晶基片上生长铋硒碲薄膜，得到沿c轴倾斜生长的铋硒碲薄膜及包括该铋硒碲薄膜的横向热电元件；
（c）采用蒸镀、磁控溅射或脉冲激光沉积法在横向热电元件的上表面制备两个对称的金属电极；
（d）在所得金属电极上连接金属引线。
8.根据权利要求7所述的基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器的制备方法，其特征在于，步骤（a）中，采用固态粉末烧结法制备铋硒碲靶材。
9.根据权利要求7所述的基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器的制备方法，其特征在于，步骤（b）中，脉冲激光沉积设备的沉积温度为250~350 ℃，氧分压为0.1~1 Pa。
10.根据权利要求7所述的基于铋硒碲薄膜材料的光、热探测器的制备方法，其特征在于，步骤（b）中，所述铋硒碲薄膜的厚度为30~150nm。
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