CN1923751A - 一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用，属光、热辐射感生电压材料技术领域。本发明用RE_1－xA_xCo_yO_z作为光辐射、热辐射感生电压效应的材料，并将其外延生长在倾斜取向的SrTiO₃、LaAlO₃、YSZ、MgO、LaSrAlO₄、Si、SiO₂/Si等单晶衬底上。当光(激光)、热辐射照射在该种薄膜表面，被薄膜吸收并在薄膜上下表面造成温差时，薄膜两端会有电压产生。从而可用于微秒至飞秒响应时间的，从真空紫外到远红外光谱的光、热辐射的能量或功率测量。

Description

一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用

一、技术领域

本发明公开一种光热辐射感生电压材料及制备方法和应用，具体地是一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用。

二、背景技术

已有的光、热辐射感生电压材料可以分为两大类：光子型探测器和量热型探测器。光子型探测器多基于半导体材料。当入射光子的能量高于能隙或杂质能级时，可将电子或空穴激发成为自由载流子，通过测量由此产生的电压或电流大小，使入射辐射被测量。但是这类材料大多只在确定而有限的光波长下工作。并且工作波长越长，热激发的噪声也越大，为了降低噪声，材料和器件必须致冷。如用Si光电管做成的可见光探测器和HgCdTe材料制造的红外成像仪。

量热型探测器也分很多种，多是基于晶体受热时或吸收光时引起材料物理参数的改变，通过测量物理参数的变化推知晶体接受的光、热辐射。如利用超导体从正常态到超导态转变点附近的电阻对热的极端敏感而制造的Bolometer，如利用热释电效应制造的红外探测器，成像仪等。

新的一类光、热辐射探测器是基于各向异性的Seebeck效应，并最先在YBa₂Cu₃O₇(以下简写为YBCO)中，后来又在LaCaMnO₃(以下简写为LCMO)类薄膜中发现。第一类材料由于晶体结构的各向异性使沉积在倾斜的单晶衬底上的薄膜会有光热感生电压出现。第二类薄膜在使用环境中比前者更稳定，因而受到关注。人们利用此效应已开发了几种光、热辐射探测器。其优点是在很宽的频谱(从红外到紫外)内均有高的响应率，而时间常数多在微秒(μs)量级。

本发明在于克服现有的技术之不足，研究出了一种，可以在宽的频谱范围内工作(从紫外、可见光到远红外)，或可以在多个波段下有效工作，有快时间响应，同时不必致冷的新型光、热辐射探测材料。

三、发明内容

本发明的目的是在不断创新中，提供出一种，可以在宽的频谱范围内工作(从紫外、可见光到远红外)，或可以在多个波段下有效工作，有快时间响应，同时不必致冷的新型光、热辐射探测材料。

实现本发明的技术方案是这样的：

快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用。该材料分子式为RE_1-xA_xCo_yO_z，其分子式RE_1-xA_xCo_yO_z中RE代表三价的Y、稀土离子或其组合，A代表二价Ca、Sr、Pb和Ba碱金属和二价金属或其组合，其中x小于1，y＝0.75-1.5，z＝2.5-4.0。

将RE_1-xA_xCo_yO_z材料，近外延地生长在衬底单晶表面法向与c轴成0°-30°角倾斜取向的单晶衬底上。

该材料RE_1-xA_xCo_yO_z可用于从真空紫外到远红外的宽波段、快时间响应(从微秒到飞秒，μs-fs)的光、热辐射探测测量。

其中衬底单晶可为SrTiO₃、LaAlO₃、YSZ、MgO、LaSrAlO₄、Si、SiO₂/Si等。

为提高该材料的性能，必要时还在材料的表面蒸镀有保护和增强信号的薄膜。

该材料制作成为阵列元件时，还可用于光、热辐射和脉冲激光的辐射源的影像测量。

本发明的有益效果在于：从原理上得出感生电压的时间关系遵守以下公式：

$V_x\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{ElSin}\left(2\mathrm{\α}\right)}{4\mathrm{d\ρ}{c}_0\sqrt{\mathrm{\πDt}}}(S_{\mathrm{ab}}-S_c)(e^{\frac{{-\mathrm{\δ}}^2}{4\mathrm{Dt}}}-e^{\frac{{-d}^2}{4\mathrm{Dt}}})$

其中V_x为x方向上感生的电压，ρ为薄膜材料的密度，c₀为比热容，D为热扩散系数，T₀为薄膜在受激光照射前的温度(环境的温度)，d为薄膜的厚度，l为感受光、热辐射的薄膜的长度，(S_ab-S_c)为这类材料的Seebeck系数在ab面和c方向上的差值，δ为光的穿透深度。

该式表明提高时间响应的关键是材料应有大的热扩散系数D。而传统的钙钛矿结构氧化物，如LCMO等则近于绝缘体，热扩散系数较低。

由于吸收光、热辐射在薄膜上下表面产生温差，进而产生电压，做成器件可以在室温下工作，不必致冷；可以在很宽的光谱范围内吸收光，因此，即可以在宽光、热辐射频谱下工作(从紫外、可见光到远红外波段)；也可以用于选择性地多波段探测；RE_1-xA_xCo_yO_z材料是氧化物，在通常环境下是稳定不易老化的；薄膜可以通过传统平面工艺制作，处理，易做成阵列，成为宽波段，快时间响应的成像元件。

四、附图说明

图1是本发明材料的结构应用示意图；

图2是本发明材料与LCMO材料的时间响应比较图。

五、具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详述：

该材料分子式为RE_1-xA_xCo_yO_z，其分子式RE_1-xA_xCo_yO_z中RE代表三价的Y、稀土离子或其组合，A代表二价Ca、Sr、Pb和Ba碱金属和二价金属或其组合，其中x小于1，y＝0.75-1.5，z＝2.5-4.0。

将RE_1-xA_xCo_yO_z材料，近外延地生长在衬底单晶表面法向与c轴成0°-30°角倾斜取向的单晶衬底上。

该材料RE_1-xA_xCo_yO_z可用于从真空紫外到远红外的宽波段、快时间响应(从微秒到飞秒，μs-fs)的光、热辐射探测测量。

其中衬底单晶可为SrTiO₃、LaAlO₃、YSZ、MgO、LaSrAlO₄、Si、SiO₂/Si等。

为提高该材料的性能，必要时还在材料的表面蒸镀有保护和增强信号的薄膜。

该材料制作成为阵列元件时，还可用于光、热辐射和脉冲激光的辐射源的影像测量。

用传统的陶瓷工艺制备RE_1-xA_xCo_yO_z多晶材料，并压制、烧结为片状的靶材，然后用脉冲激光溅射或者射频溅射或者其他方法，使靶材物质沉积到上述提到的单晶衬底上。用XRD等技术确证薄膜为近外延地生长。此后再蒸镀上保护和增强信号薄膜，光刻薄膜成一定形状，并且镀电极引线，就可以形成测量光、热辐射的元件。

图2是用倾斜10°的SrTiO₃单晶衬底上生长的LCMO薄膜和La_1-xSr_xCoO₃(以下简写为LSCO)薄膜在脉冲紫外激光(248nm，20ns)照射下获得的感生电压的时间响应曲线的比较。很明显与LCMO薄膜相比，LSCO薄膜材料的上升前沿、下降沿、半高宽均有1至2个数量级的减少，因而其时间响应要提高1至2个数量级。

当用脉冲激光(或热辐射)照射样品表面时，则在样品表面x方向感生出电压V_x。该电压与入射光强成正比例关系。从而可用于测量相应的辐射强度。当做成阵列时，可以形成相应辐射的像，如用于激光光束的剖面强度分布测量。

图1中，1是电极、2是保护及增强信号薄膜、3是本发明的材料、4是单晶衬底材料、5是光热辐射。

Claims (6)

1、一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用，其特征在于：该材料分子式为RE_1-xA_xCo_yO_z，其分子式RE_1-xA_xCo_yO_z中RE代表三价的Y、稀土离子或其组合，A代表二价Ca、Sr、Pb和Ba碱金属和二价金属或其组合，其中x小于1，y＝0.75-1.5，z＝2.5-4.0。

2、一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用，其特征在于：将RE_1-xA_xCo_yO_z材料，近外延地生长在衬底单晶表面法向与c轴成0°-30°角倾斜取向的单晶衬底上。

3、一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用，其特征在于：该材料RE_1-xA_xCo_yO_z可用于从真空紫外到远红外的宽波段和多波段、快时间响应(从微秒到飞秒，μs-fs)的光、热辐射探测测量。

4、根据权利要求2所述的一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用，其特征是：衬底单晶可为SrTiO₃、LaAlO₃、YSZ、MgO、LaSrAlO₄、Si、SiO₂/Si等。

5、根据权利要求2所述的一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用，其特征是：在材料的表面蒸镀有保护和增强信号的薄膜。

6、根据权利要求3所述的一种快响应光热辐射感生电压材料及制备方法和应用，其特征是：该材料制作成为阵列元件时，还可用于光、热辐射和脉冲激光的辐射源的影像测量。

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