CN111403587A - 一种基于钌酸锶薄膜的光、热探测器及其制备方法 - Google Patents

一种基于钌酸锶薄膜的光、热探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于钌酸锶薄膜的光、热探测器及其制备方法，所述光、热探测器自下而上依次包括斜切基片、横向热电元件、金属电极以及与金属电极相连的用于输出电压信号的引线；所述横向热电元件是采用脉冲激光沉积技术在斜切基片上制备的c轴倾斜生长的钌酸锶薄膜，所述钌酸锶薄膜的厚度为20～200nm。本发明的钌酸锶薄膜热电元件灵敏度和响应度等探测性能优异，将其应用于制作宽波段光、热探测器，不仅具有灵敏度高和响应时间快等优异性能，还具有制备工艺简单和生产成本低的优点，在光、热探测器领域应用前景广阔。

Description

一种基于钌酸锶薄膜的光、热探测器及其制备方法
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钌酸锶薄膜的光、热探测器及其制备方法。
背景技术
当用热源或不同波长的激光辐照c轴倾斜生长的薄膜样品表面时，薄膜表层在吸收了光或热的辐射后，会立即在薄膜上下表面建立起一个温差。如果该薄膜材料的塞贝克系数具有各向异性，则会在薄膜表面两侧输出一个开路电压信号且信号的幅值可以由激光或热源的辐照功率、薄膜c轴的倾斜角度以及薄膜上下表面温差来进行有效地调控。这种温差和电压方向相互垂直的热电效应称之为横向热电效应，通常只能在塞贝克系数具有各向异性且具有倾斜结构的薄膜、单晶等样品中观测得到。基于薄膜横向热电效应设计制作的探测器不仅可以实现全光谱探测和各种热辐射探测，而且具有灵敏度高、响应速度快等优点。目前用来制备这种探测器的薄膜材料多为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。但上述薄膜材料组份复杂、制备工艺苛刻、性能重复性差，所制探测器成本昂贵。因此，开发一种制备工艺简单的低成本横向热电效应探测器对于推广这种新型探测器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于钌酸锶薄膜横向热电效应设计的光、热探测器及其制备方法，以提供一种基于薄膜横向热电效应设计的低成本、高灵敏、快响应、宽波段光探测器和热辐射探测器。
本发明采用的技术方案是：一种基于钌酸锶薄膜的光、热探测器，所述光、热探测器自下而上依次包括斜切基片、横向热电元件、金属电极以及与金属电极相连的用于输出电压信号的引线；所述横向热电元件是采用脉冲激光沉积技术在斜切基片上制备的c轴倾斜生长的钌酸锶薄膜，所述钌酸锶薄膜的厚度为20～200nm。
所述金属电极是采用蒸镀法或磁控溅射法在钌酸锶薄膜表面制作的金、银或铂电极，或者是采用人工压铟法在钌酸锶薄膜表面制作的铟电极。
所述金属电极为两个，两个金属电极对称地分布在钌酸锶薄膜表面的两端。
所述斜切基片为斜切c轴取向的单晶基片，单晶基片的斜切角度θ为0°<θ<30°，单晶基片为铝酸镧、钛酸锶、铝酸锶钽镧、氧化镁和蓝宝石中的一种。
上述基于钌酸锶薄膜的光、热探测器的制备方法，包括如下步骤：
（a）将预先制备好的钌酸锶靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（b）将经超声波清洗、干燥后的斜切c轴取向的单晶基片放置于脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（c）用激光轰击钌酸锶靶材，在单晶基片上生长一层厚度为20～200nm的钌酸锶薄膜材料；所制备的钌酸锶薄膜的c轴是倾斜生长的，即薄膜的c轴方向和薄膜表面的法线方向有一个夹角；
（d）在钌酸锶薄膜材料的表面制作金属电极，金属电极连接有引线并通过引线传输电压信号。
步骤（c）中，采用脉冲激光沉积技术制备薄膜时，激光能量为1.5 J/cm2，激光频率为1Hz，靶材与基片之间的距离为4cm，薄膜的沉积温度为700~800℃，氧分压为25~35 Pa。
步骤（d）中，在钌酸锶薄膜表面的左右两端对称地制作两个金属电极，金属电极的直径为0.1 mm，两金属电极的间距为8 mm。
步骤（d）中，光、热探测器所用引线为金线，引线的直径d为0mm<d<0.2 mm。
本发明的钌酸锶薄膜热电元件灵敏度和响应度等探测性能优异，将其应用于制作宽波段光、热探测器，不仅具有灵敏度高和响应时间快等优异性能，还具有制备工艺简单和生产成本低的优点，适宜大规模工业化生产，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1是本发明中光、热探测器的结构示意图。图中，1为斜切基片，2为斜切角度，3为钌酸锶薄膜，4为金属电极，5为引线，6为示波器，7为光栅，8为激光，图中箭头表示激光方向。
图2是实施例1所制备钌酸锶薄膜材料的X射线衍射图。
图3是308 nm紫外脉冲激光辐照实施例1中钌酸锶薄膜光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图4是1550 nm近红外连续激光辐照实施例1所设计钌酸锶薄膜光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图5是实施例3所制备钌酸锶薄膜材料的X射线衍射图。
图6是1550 nm近红外连续激光辐照实施例3所设计钌酸锶薄膜光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图7是电烙铁热辐射下，实施例1所设计钌酸锶薄膜光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图8是电烙铁热辐射下，实施例3所设计钌酸锶薄膜光、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详细阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明。
实施例中所用试剂均可市购或者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斜切5度钛酸锶基片上钌酸锶薄膜光、热探测器对308 nm紫外脉冲激光的探测
本发明的光、热探测器自下而上依次包括斜切基片、横向热电元件、金属电极以及与金属电极相连的用于输出电压信号的引线；横向热电元件是采用脉冲激光沉积技术在斜切基片上制备的c轴倾斜生长的钌酸锶薄膜。该探测器的结构原理图如图1所示。
探测器的制备包括以下步骤：
1、采用固态粉末烧结法制备靶材：将氧化钌和碳酸锶粉体按照摩尔比Ru:Sr=1:1混合研磨均匀，然后在600~1200℃范围内梯度升温烧结，每升高200℃煅烧1次，每次煅烧12 h，每次煅烧取出后都研磨均匀至细腻面粉状，最后压制成型后在1200℃下埋烧30h，即可得到纯相的钌酸锶靶材。
2、横向热电元件的制备：将所制备的钌酸锶靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用。
将斜切角度为5度的钛酸锶（SrTiO3）基片分别在无水乙醇、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。
设定沉积温度为750℃，激光能量为1.2 J/cm2，激光频率为1Hz，靶材与基板间的距离为4 cm，氧分压为30 Pa。用激光轰击钌酸锶靶材，在c轴取向的斜切5度钛酸锶基片上沉积一层厚度为100 nm的钌酸锶薄膜，并以2℃/min的速率冷却至室温，即可得到高质量c轴倾斜生长的钌酸锶（SrRuO3）薄膜（倾斜角度为5度），所得钌酸锶薄膜热电元件的X射线衍射图如图2所示。
3、在所得高质量c轴倾斜生长的钌酸锶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。
4、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。将两根金线分别接入示波器，以备输出数据。
5、用波长为308 nm的氯化氙准分子激光器提供的紫外脉冲光照射该探测器表面中心位置。当脉冲激光能量密度为0.2 mJ/mm2、示波器输入阻抗为1M欧姆档时，利用示波器记录下308 nm紫外脉冲光照射到钌酸锶薄膜光、热探测器表面上时产生的输出开路电压信号如图3所示，该探测器输出开路电压的幅值和响应时间分别为1.5 V和2µs，灵敏度高且响应时间快。
实施例2 斜切5度钛酸锶基片上钌酸锶薄膜光、热探测器对1550nm近红外连续激光的探测
用波长为1550 nm的连续激光照射实施例1设计的探测器表面中心位置。用电压表记录1550 nm的连续激光照射到钌酸锶薄膜光、热探测器表面上时产生的输出电压信号如图4所示，斜切5度钛酸锶基片上制备的钌酸锶薄膜探测器输出电压信号的幅值为37µV，灵敏度较高。
实施例3 斜切10度铝酸镧基片上钌酸锶薄膜光、热探测器对1550nm近红外连续激光的探测
1、将实施例1中的斜切5度钛酸锶基片换成斜切10度铝酸镧基片，其他操作同实施例1中的步骤1-4；即可得到高质量c轴倾斜生长的钌酸锶（SrRuO3）薄膜（倾斜角度为10度），所得钌酸锶薄膜热电元件的X射线衍射图如图5所示。
2、用波长为1550 nm的连续光激光照射该探测器表面中心位置。用电压表记录1550 nm的连续激光照射到钌酸锶薄膜光、热探测器表面上时产生的输出开路电压信号如图6所示，斜切10度铝酸镧基片上钌酸锶薄膜光、热探测器输出开路电压信号的幅值为58 µV。实施例4斜切5度钛酸锶基片上钌酸锶薄膜光、热探测器对电烙铁热信号的探测
实施例5 采用电烙铁为热源对实施例1所设计的光、热探测器中钌酸锶薄膜表面进行加热，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，300℃电烙铁热辐照下的探测幅值为110 µV。
实施例6斜切10度铝酸镧基片上钌酸锶薄膜光、热探测器对电烙铁热信号的探测
采用电烙铁为热源对实施例3所设计的光、热探测器中钌酸锶薄膜表面进行加热，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8所示，300℃电烙铁热辐照下的探测幅值为170 µV。
对比例1 非倾斜生长钌酸锶薄膜光、热探测器对308 nm紫外脉冲激光、1550nm近红外连续激光和电烙铁热信号的探测
1、将实施例1中的斜切5度钛酸锶基片换成普通不斜切的铝酸镧基片，此时制备的钌酸锶薄膜c轴倾斜角度为0度，其他操作同实施例1中的步骤1-4；
2、用波长为308 nm的氯化氙准分子激光器提供的紫外脉冲光、波长为1550nm的近红外连续光和精细控温电烙铁热辐照探测器表面中心位置。利用输入阻抗为1M欧姆档的示波器记录下308 nm紫外脉冲光照射到钌酸锶薄膜光、热探测器表面上时产生的输出电压信号，激光能量密度为2mJ/mm2时没有采集到电压信号，改变激光能量密度仍未收集到任何电压信号。此外，利用示波器没有采集到的连续光辐照时的电压信号；利用电压表也没有采集到电烙铁辐照的热信号。
上述实施例和对比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 (8)

1.一种基于钌酸锶薄膜的光、热探测器，其特征是，所述光、热探测器自下而上依次包括斜切基片、横向热电元件、金属电极以及与金属电极相连的用于输出电压信号的引线；所述横向热电元件是采用脉冲激光沉积技术在斜切基片上制备的c轴倾斜生长的钌酸锶薄膜，所述钌酸锶薄膜的厚度为20～200nm。
2.根据权利要求1所述的基于钌酸锶薄膜的光、热探测器，其特征是，所述金属电极是采用蒸镀法或磁控溅射法在钌酸锶薄膜表面制作的金、银或铂电极，或者是采用人工压铟法在钌酸锶薄膜表面制作的铟电极。
3.根据权利要求1所述的基于钌酸锶薄膜的光、热探测器，其特征是，所述金属电极为两个，两个金属电极对称地分布在钌酸锶薄膜表面的两端。
4.根据权利要求1所述的基于钌酸锶薄膜的光、热探测器，其特征是，所述斜切基片为斜切c轴取向的单晶基片，单晶基片的斜切角度θ为0°<θ<30°，单晶基片为铝酸镧、钛酸锶、铝酸锶钽镧、氧化镁和蓝宝石中的一种。
5.一种权利要求1~4任一所述的基于钌酸锶薄膜的光、热探测器的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
（a）将预先制备好的钌酸锶靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（b）将经超声波清洗、干燥后的斜切c轴取向的单晶基片放置于脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（c）用激光轰击钌酸锶靶材，在单晶基片上生长一层厚度为20～200nm的钌酸锶薄膜材料，所制备的钌酸锶薄膜的c轴是倾斜生长的；
（d）在钌酸锶薄膜材料的表面制作金属电极，金属电极连接有引线并通过引线传输电压信号。
6.根据权利要求5所述的光、热探测器的制备方法，其特征是，步骤（c）中，采用脉冲激光沉积技术制备薄膜时，激光能量为1.5 J/cm2，激光频率为1Hz，靶材与基片之间的距离为4cm，薄膜的沉积温度为700~800℃，氧分压为25~35 Pa。
7.根据权利要求5所述的光、热探测器的制备方法，其特征是，步骤（d）中，在钌酸锶薄膜表面的左右两端对称地制备两个金属电极，金属电极的直径为0.1 mm，两金属电极的间距为8 mm。
8.根据权利要求5所述的光、热探测器的制备方法，其特征是，步骤（d）中，光、热探测器所用引线为金线，引线的直径d为0mm<d<0.2 mm。
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