CN117677268A - 一种高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器及其制备方法。该光热探测器的功能层是在单晶衬底上生长的c轴倾斜的铋铜碲氧/纳米银复合薄膜。本发明采用脉冲激光沉积技术在单晶衬底上生长晶向倾斜的铋铜碲氧/纳米银复合薄膜，基于赛贝克系数的各向异性和原子层热电堆结构制得了光热探测器。该探测器结构和制备工艺简单、性能优异，且无需附加电源或制冷部件，在宽波段光探测或高温热探测领域具有重要应用。适量的(1‑15at％)银纳米复合可以显著提高探测器的电压响应灵敏度；银含量为2.25at％的探测器在脉冲光源辐照下，电压响应灵敏度可达22V/mJ，是本征薄膜探测器的4‑5倍，并优于同类型其它探测器。
Description
技术领域
本发明涉及光或热探测领域，具体地说是一种高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器及其制备方法。
背景技术
在光源或热源辐射下，晶向倾斜的薄膜样品一方面作为热阻层在其厚度方向建立起温度梯度；另一方面，赛贝克系数的各向异性使其倾斜的ab晶面和c轴方向形成原子层热电堆级联在薄膜表面两电极间，产生与温差垂直的电压信号。其电压响应灵敏度与薄膜的几何结构(长度、厚度、ab晶面倾斜角度)和电热输运参数有关。薄膜材料赛贝克系数的各向异性值越大、电导率越高、热导率越低，电压响应灵敏度越高。基于该效应制备的光热探测器，无需附加电源或制冷部件，在宽波段光探测、尤其是高温热探测领域，具有重要应用。
发明人所在课题组一直致力于研究基于横向热电效应的光、热探测器，先后也申请了相关方面的专利。在前面课题研究的基础上，本申请又研发了一种新的高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器。相较于横向热电效应研究的其它材料，如：SnSe、Bi2Sr2Co2Oy、BiCuSeO等，铋铜碲氧(BiCuTeO)各向异性明显、电导率高、热导率低、横向热电性能优异，尤其是对BiCuTeO薄膜复合适量银纳米颗粒，可以改善晶体质量、降低热导率，进一步提升电压响应灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器及其制备方法，在BiCuTeO薄膜中复合适量银纳米颗粒，可以显著提升铋铜碲氧薄膜光热探测的电压响应灵敏度。
本发明是这样实现的：
一种高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器，其结构包括功能层、金属电极和金属引线；所述功能层为在单晶衬底上生长的c轴倾斜的铋铜碲氧/纳米银复合薄膜；在所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜表面，沿倾斜晶向的投影方向对称沉积两个金属电极，所述金属电极经由所述金属引线接至电压表输入端。
优选的，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜的厚度为10nm～1μm。
优选的，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜沿倾斜晶向生长，即其ab晶面与薄膜表面存在0°～45°倾角，且该倾角由所述单晶衬底的c轴的倾斜角度调节并决定。
优选的，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜通过脉冲激光沉积技术制备，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜制备时所用沉积靶材为铋铜碲氧/银复合靶。
优选的，所述铋铜碲氧/银复合靶制备步骤包括：把银片剪成不同角度的扇形，粘贴在铋铜碲氧多晶靶材表面，保证扇形银片顶点与铋铜碲氧多晶靶材中心重合。
优选的，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜中银原子数百分含量为0-10at％。
更优选的，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜中银原子数百分含量为2-3at％。
本发明还提供了一种高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器的制备方法，具体包括如下步骤：
a、制备铋铜碲氧/银复合靶：把银片剪成设定角度的扇形，将扇形银片粘贴在铋铜碲氧多晶靶材表面，使扇形银片顶点与铋铜碲氧多晶靶材中心重合；
b、将铋铜碲氧/银复合靶放入PLD腔体中，采用脉冲激光沉积技术，在单晶衬底上生长铋铜碲氧/纳米银复合薄膜；铋铜碲氧/纳米银复合薄膜中银原子数百分含量为0-10at％；
c、在铋铜碲氧/纳米银复合薄膜表面左右对称地压制金属电极；
d、使金属电极连接金属引线。
优选的，上述步骤b中，脉冲激光沉积技术的工艺条件为：沉积室本底真空抽至10-4～10-8Pa；脉冲激光波长308nm、频率2-5Hz、能量密度1～2mJ/cm2；氩气压强0.01～20Pa；衬底温度250～500℃；所述单晶衬底和所述铋铜碲氧/银复合靶的距离为40～60mm。
优选的，上述步骤b中，所述单晶衬底为c轴倾斜的LaAlO3、SrTiO3或MgO单晶基片。
优选的，上述步骤c中，所述金属电极为Pt、Au、Ag或In，两个所述金属电极间距为2～15mm。
优选的，上述步骤d中，所述金属引线为Au、Ag或Cu漆包线，其直径为0.05～0.2mm。
本发明基于横向热电效应制备了一种高灵敏光热探测器。该光热探测器采用脉冲激光沉积技术在c轴倾斜的单晶衬底上生长晶向倾斜的铋铜碲氧/纳米银复合薄膜，利用银纳米复合技术优化了薄膜晶体质量、降低了热导率，提高了铋铜碲氧薄膜光热探测器的电压响应灵敏度。适量的(1-15at％)银纳米复合可以显著提高探测器的电压响应灵敏度；银含量为2.25at％的探测器在脉冲光源辐照下，电压响应灵敏度可达22V/mJ，是本征薄膜探测器的4-5倍，并优于同类型其它探测器。
本发明所提供的高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器，无论是其结构还是制备工艺，均比较简单，在光源或热源加热时，电压响应灵敏度高、性能优异，且无需附加电源或制冷部件，在宽波段光探测或高温热探测领域具有重要应用。
附图说明
图1为本发明高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器的结构示意图。
图2为实施例2所制备的BiCuTeO/xAg(x＝0,2.25,9.98at％)薄膜的SEM表面形貌图。
其中，(a)-(c)分别对应x＝0,2.25,9.98at％。
图3为脉冲光源加热时，实施例2所制备的BiCuTeO/xAg(x＝0)光热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图4为脉冲光源加热时，实施例2所制备的BiCuTeO/xAg(x＝2.25at％)光热探测器的输出电压-时间响应曲线。
图5为脉冲光源加热时，实施例2所制备的BiCuTeO/xAg(x＝9.98at％)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。
实施例1，高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器。
如图1所示，本发明所提供的高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器的结构包括：功能层、金属电极和金属引线，功能层为在单晶衬底上沉积的晶向倾斜的铋铜碲氧/纳米银复合薄膜，在铋铜碲氧/纳米银复合薄膜表面沿倾斜晶向投影方向对称沉积有两个金属电极，两个金属电极通过金属引线接至电压采集仪表(或示波器)的输入端。利用光源或热源加热探测器表面，用示波器或电压采集仪表记录其输出电压信号。
实施例2，高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器的制备方法。
本发明中高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器的制备步骤如下：
(1)功能层的制备
在c轴10°倾斜的LaAlO3单晶衬底上沉积一层厚度为75nm、晶向倾斜的铋铜碲氧/纳米银复合薄膜，薄膜ab晶面和薄膜表面的夹角与单晶衬底c轴的倾角相近，约为10°。
具体制备过程如下：
将铋铜碲氧/银复合靶(铋铜碲氧/银复合靶是在圆形铋铜碲氧靶材上粘贴扇形银片而制成)放入到PLD腔体中，腔体本底真空抽至2×10-4Pa，准备沉积薄膜；沉积条件：脉冲激光波长308nm、频率5Hz、能量密度1.5mJ/cm2；氩气压强0.1Pa、纯度99.999％；衬底温度400℃；衬底和靶材距离50mm；溅射时间20分钟；薄膜沉积完毕后，控制PLD腔体压强为10-3～10-4Pa，自然冷却至室温，即可得到在LaAlO3单晶衬底上生长的c轴10°倾斜的铋铜碲氧/纳米银复合薄膜。改变所粘贴的银片的扇形角度，可以得到不同银含量的BiCuTeO/xAg薄膜样品，本发明实施例中通过实验分别制备了x＝0、2.25at％、9.98at％三种情形下的复合薄膜，x表示Ag在薄膜中的原子数百分含量。
对所制备的铋铜碲氧/纳米银复合薄膜进行形貌表征，SEM测试结果如图2所示。(a)-(c)分别为银原子数百分含量为0、2.25at％和9.98at％的薄膜的表面形貌。可以看出，本征薄膜(即x＝0)的晶粒呈片状、并且按一定角度倾斜，表面呈阶梯状结构，无明显缺陷或析出物；随着银复合量的增加，薄膜的晶粒粒度减小、晶界密度和缺陷增大、阶梯状形貌和倾斜晶向更为明显。
(2)在上述BiCuTeO/xAg(x＝0、2.25at％、9.98at％)薄膜表面左右对称地压制In电极，电极直径为1mm，电极间距为6mm。
(3)将两根直径为0.1mm的铜导线分别连接在两个In电极上，作为电极引线，接至测试仪表输入端。
实施例3
采用波长为308nm的脉冲光照射实施例2所制备的BiCuTeO/xAg(x＝0)探测器表面，用示波器记录输出电压信号，其输出电压-时间响应曲线如图3所示。由图3可知，随着辐照光源能量的增加(能量密度Ed＝5-15mJ/cm2，光斑面积2.5×4mm2)，横向热电电压幅值在3-8V之间线性增大，探测灵敏度约为5V/mJ，该数值远大于Bi2Sr2Co2Oy(0.67V/mJ)、La2/ 3Ca1/3MnO3:Ag0.04(0.61V/mJ)、La0.9Sr0.1NiO3(0.019V/mJ)、La0.5Sr0.5CoO3(0.94V/mJ)、SrTi1- xNbxO3(0.018V/mJ)、SnSe(0.04V/mJ)等材料；波形的上升和衰减时间约为60ns。
实施例4
采用波长为308nm的脉冲光照射实施例2所制备的BiCuTeO/xAg(x＝2.25at％)探测器表面，示波器记录的输出电压-时间响应曲线如图4所示。由图4可知，随着辐照激光能量的增加，横向热电电压幅值在10-33V之间线性增大，探测灵敏度可达22V/mJ，优化的晶体质量使探测灵敏度提升4-5倍。
实施例5
采用波长为308nm的脉冲光照射实施例2所制备的BiCuTeO/xAg(x＝9.98at％)探测器表面，示波器记录的输出电压-时间响应曲线如图5所示。由图5可知，随着辐照激光能量的增加，横向热电电压幅值在6-20V之间线性增大，探测灵敏度约为13V/mJ，仍优于本征薄膜探测器，但相比于银含量2.25at％的探测器，性能有所下降。因此，银含量在2-3at％时，探测器性能最佳。
Claims (8)
1.一种高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器，其特征是，包括功能层、金属电极和金属引线；所述功能层为在单晶衬底上生长的晶向倾斜的铋铜碲氧/纳米银复合薄膜，所述金属电极的数量为两个，两个金属电极对称生长在铋铜碲氧/纳米银复合薄膜表面，所述金属电极与金属引线相接。
2.根据权利要求1所述的高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器，其特征是，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜是通过脉冲激光沉积技术制备而成，采用脉冲激光沉积技术制备铋铜碲氧/纳米银复合薄膜时，所采用的靶材为铋铜碲氧/银复合靶；所述铋铜碲氧/银复合靶的制备步骤包括：把银片剪成设定角度的扇形，将扇形银片粘贴在铋铜碲氧多晶靶材表面，扇形银片顶点与铋铜碲氧多晶靶材中心重合。
3.根据权利要求1所述的高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器，其特征是，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜的厚度为10nm～1μm。
4.根据权利要求1所述的高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器，其特征是，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜中银原子数百分含量为0-10at％。
5.根据权利要求4所述的高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器，其特征是，所述铋铜碲氧/纳米银复合薄膜中银原子数百分含量为2-3at％。
6.一种高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
a、制备铋铜碲氧/银复合靶：把银片剪成设定角度的扇形，将扇形银片粘贴在铋铜碲氧多晶靶材表面，使扇形银片顶点与铋铜碲氧多晶靶材中心重合；
b、将铋铜碲氧/银复合靶放入PLD腔体中，采用脉冲激光沉积技术，在单晶衬底上生长铋铜碲氧/纳米银复合薄膜；铋铜碲氧/纳米银复合薄膜中银原子数百分含量为0-10at％；
c、在铋铜碲氧/纳米银复合薄膜表面左右对称地压制金属电极；
d、使金属电极连接金属引线。
7.根据权利要求6所述的高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器的制备方法，其特征是，步骤b中，脉冲激光沉积技术的工艺参数为：腔体本底真空抽至10-4～10-8Pa；脉冲激光波长308nm、频率2-5Hz、能量密度1～2mJ/cm2；氩气压强0.01～20Pa；衬底温度250～500℃；所述单晶衬底和铋铜碲氧/银复合靶的距离为40～60mm。
8.根据权利要求6所述的高灵敏铋铜碲氧薄膜光热探测器的制备方法，其特征是，步骤b中单晶衬底为c轴倾斜的LaAlO3、SrTiO3或MgO单晶基片。
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