DE4426931C1 - Thermoelektrischer Detektor zur ortsaufgelösten Detektion von kontinuierlicher und gepulster Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Detektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der Gegenstand des Hauptpatents ist.

Seit kurzem ist bekannt, daß dünne Schichten eines kristallinen Festkörpers mit anisotroper Thermokraft als thermoelektrische Detektoren verwendet werden können [1-3]. Dabei handelt es sich um dünne Schichten aus stark anisotropen Hochtemperatursupraleitern (wie z. B. Materialien aus der Y-Ba-Cu-O-, Tl-Ba-Ca-Cu-O- oder Bi-Sr-Ca-Cu-O-Familie), die epitaktisch auf einen Substratkristall aufgewachsen werden. Der Substratkristall ist dabei so geschnitten, daß die (100)-Ebenen unter einem Winkel α<0 aus der Substratoberfläche austreten. Die Übernahme dieser Verkippung durch das Schichtmaterial führt zusammen mit dessen ausgeprägter Anisotropie dazu, daß bei Erwärmung der Schicht durch kontunierliche oder gepulste Strahlung ein elektrisches Feld in der Schichtebene entsteht.

Mit einem solchen thermoelektrischen Detektor kann nur die Gesamtenergie bzw. Gesamtleistung der einfallenden Strahlung registriert werden, nicht jedoch die räumliche Verteilung der Strahlungsintensität.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Detektor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit ihm auch die räumliche Verteilung der Strahlungsintensität bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Dadurch ist es möglich, die Verteilung der Strahlungsintensität auf der Detektorfläche ortsaufgelöst zu erfassen. Ein solche Erfassung ist z. B. bei der Untersuchung oder Kontrolle von Laserstrahlprofilen notwendig. Insbesondere für den infraroten und ferninfraroten Spektralbereich gibt es dafür bisher kaum Möglichkeiten. Sollen mit einem Detektor Bilder von Objekten erzeugt werden, z. B. das Bild eines Gebäudes im Infrarotbereich, so ist eine ortsaufgelöste Darstellung der Strahlungsintensität erforderlich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben. Durch Strukturierung der Detektorfläche in Bahnen parallel zur Verkippungsrichtung der Schicht gemäß dem Anspruch 2 läßt sich eine Ortsauflösung in einer Dimension erreichen. Der besondere Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß bei einer solchen Strukturierung die volle Empfindlichkeit des Detektorelements für jede einzelne Bahn zur Verfügung steht. Bei einer zweidimensionalen Unterteilung der Detektorfläche gemäß dem Anspruch 3 läßt sich die Strahlungsintensität in zwei Dimensionen gleichzeitig erfassen, allerdings bei reduzierter Empfindlichkeit pro Detektorgebiet. Doch bietet eine solche Strukturierung die Möglichkeit, optisch auf die Detektorfläche abgebildete Bilder von Objekten zu erfassen. Wegen der Empfindlichkeit des Detektors bis zur ferninfraroten Strahlung besteht insbesondere die Möglichkeit, das Strahlungsprofil eines Lasers im infraroten oder ferninfraroten Spektralbereich zu erfassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellt, und werden im folgenden näher beschrieben:

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird auf einem SrTiO₃-Substrat (10×10×1 mm³), dessen (100)-Ebenen um einen Winkel α<0 gegen die Oberfläche geneigt sind, durch Laserablation bei 680°C und 300 mTorr O₂-Atmosphäre eine dünne Schicht des Hochtemperatursupraleiters YBa₂Cu₃O₇_{- δ} (YBCO) aufgebracht. Die YBCO-(100)-Ebenen wachsen dabei parallel zu den SrTiO₃-(100)-Ebenen auf. Die kristallographische c-Achse der YBCO- Schicht bildet also einen Winkel α mit der Oberflächennormalen n.

Danach wird die Schicht durch Photolithographie in 100 µm breite Bahnen, die voneinander einen Abstand von 20 µm haben, strukturiert. Dabei verlaufen die Bahnen parallel zur Projektion der c-Achse von YBCO auf die Schichtebene (Verkippungsrichtung). In den Fig. 1 bis 3 sind die verbleibenden Schichtgebiete schraffiert dargestellt. Die bei Bestrahlung entstehende elektrische Spannung wird an jeder Bahn über zwei Kontakte parallel zur Verkippungsrichtung abgegriffen (in den Fig. 1 bis 3 schwarz dargestellt). Mit einem solchermaßen strukturierten thermoelektrischen Detektor kann die Intensitätsverteilung der einfallenden Strahlung vom ultravioletten bis zum ferninfraroten Sprektralbereich in einer Dimension (senkrecht zu den Bahnen) ortsaufgelöst registriert werden.

In den Fig. 2 und 3 sind Aufsichten von Ausführungsbeispielen dargestellt, die die Erfassung der Strahlungsintensität mit einer Ortsauflösung in einer Dimension (Fig. 2) bzw. zwei Dimensionen (Fig. 3) ermöglichen.

[1] H. Lengfellner, G. Kremb, A. Schnellbögl, J. Betz, K. F. Renk, and W. Prettl, Appl. Phys. Lett. 60, 501 (1992).
[2] P. G. Huggard, S. Zeuner, K. Goller, H. Lengfellner, and W. Prettl, J. Appl. Phys. 75, 616 (1994).
[3] H. Lengfellner, S. Zeuner, W. Prettl, and K. F. Renk, Europhys. Lett. 25, 375 (1994).

Claims (4)

1. Thermoelektrischer Detektor zur Detektion von kontinuierlicher und gepulster Strahlung, der eine aktive Detektorfläche aus einer dünnen Schicht eines kristallinen Festkörpers mit anisotroper Thermokraft aufweist, wobei die dünne Schicht eine auf einem Substratkristall epitaktisch aufgewachsene Schicht darstellt, die aus einem thermoelektrisch anisotropen, Cu-O-Ebenen enthaltenden Hochtemperatursupraleitermaterial besteht, und die mit zwei voneinander beabstandenden elektrischen Kontakten kontaktiert ist, bei dem nach Patent 43 06 497

• a) der Substratkristall so geschnitten ist, daß (100)-Ebenen unter einem Winkel α<0 aus der Substratoberfläche austreten,
• b) über die gesamte laterale Ausdehnung der dünnen epitaktischen Schicht die Cu-O-Ebenen des Hochtemperatursupraleitermaterials derart orientiert sind, daß die kristallographische c-Achse der epitaktischen Schicht unter dem Winkel α gegen die Normale n auf die Schichtoberfläche geneigt ist, und
• c) die Verbindungslinie der elektrischen Kontakte mit der Richtung zusammenfällt, in die die c-Achse der epitaktischen Schicht gegen die Normale n gekippt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß durch Maskierung bei der Schichtherstellung oder nachträgliches Entfernen von Teilen der Detektorschicht einzelne, räumlich getrennte Schichtgebiete erzeugt sind, die einzeln mit Kontakten entlang der Verkippungsrichtung der Schicht versehen sind, so daß die abgegriffenen elektrischen Signale die Intensitätsverteilung der einfallenden Strahlung auf der aktiven Detektorfläche aufnehmen.

2. Thermoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Detektorfläche in mehrere Bahnen parallel zur Verkippungsrichtung des Schichtmaterials unterteilt ist, und die elektrischen Signale an den Kontakten dieser Bahnen abgegriffen werden (Fig. 2).

3. Thermoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Detektorfläche so unterteilt ist, daß eine zweidimensionale Anordnung von Schichtgebieten entsteht, und die elektrischen Signale an jedem Gebiet über zwei Kontakte, deren Verbindungslinie parallel zur Verkippungsrichtung der Detektorschicht ist, abgegriffen werden (Fig. 3).