JPWO2010058559A1 - 放射検出器および放射検出方法 - Google Patents

放射検出器および放射検出方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、高い検出感度を有する放射検出器を提供する。本発明に係る放射検出器は、Ａｌ2Ｏ3基板と、Ａｌ2Ｏ3基板上に積層されたＦｅ2Ｏ3薄膜と、Ｆｅ2Ｏ3薄膜上に積層され、ＣｏＯ2面がＡｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、第１電極と対向する位置に配置された第２電極とを具備する。

Description

本発明は、異方熱電効果を利用した、放射検出器およびそれを用いた放射検出方法に関する。
熱電変換材料の両端に温度差が生じると、その温度差に比例して起電力（熱起電力）が発生する。熱電変換材料において、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される現象は、ゼーベック効果として知られている。発生する起電力Ｖは、温度差ΔＴと、材料固有のゼーベック係数Ｓとを用いて、Ｖ＝ＳΔＴで表される。
等方的な物性を示す熱電変換材料において、ゼーベック効果によって発生する起電力は、温度差が生じた方向にのみ生じる。一方、電気輸送特性に異方性を示す熱電変換材料は、結晶軸の傾斜配置により、温度差が生じた方向と直交する方向に起電力が発生する。なお、電気輸送特性とは、電荷をもつ電子や正孔が物質中を移動する振舞いをいう。このように、材料の結晶軸の傾斜配置により、温度差が生じた方向（熱流方向）とは異なる方向に起電力が発生する現象を、異方熱電効果あるいは非対角熱電効果という。
図１３は、異方熱電効果を説明するための座標系の図である。図１３に示すように、試料１０１の結晶軸ａｂｃが、空間軸ｘｙｚに対して傾斜している。試料１０１において、ｚ軸に沿った方向に温度差ΔＴzを与えると、ｚ軸と直交する方向であるｘ軸に沿った方向に、起電力Ｖxが発生する。起電力Ｖxは、式（１）により表わされる。
Figure 2010058559
 ただし、ｌは試料１０１の幅、ｄは試料１０１の厚さ、αは試料１０１の表面（ｘｙ面）に対するａｂ面の傾斜角度、ΔＳはｃ軸方向のゼーベック係数Ｓcとａｂ面内方向のゼーベック係数Ｓabとの差（異方性による差）を表す。
従来、異方熱電効果を利用した放射検出器として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d（以下、ＹＢＣＯという）の傾斜積層薄膜を用いた放射検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。傾斜積層薄膜とは、基板に積層された薄膜であって、結晶軸が、基板の表面に対して傾斜し、複数の層が積層された構造の薄膜をいう。ＹＢＣＯ薄膜は、電気伝導性を有するＣｕＯ2層、絶縁性を有するＹ層およびＢａＯ層が、ｃ軸方向に沿って交互に積層された異方的な結晶構造を有する。このＹＢＣＯ薄膜を、適当な基板表面上に、ｃ軸が基板表面に対して傾斜するように積層（傾斜積層）した場合、図１３と同様の系が成り立つ。ＣｕＯ2面は、図１３におけるａｂ面に対応する。この傾斜積層されたＹＢＣＯ薄膜の表面に電磁波が入射すると、ＹＢＣＯ薄膜の表面と垂直な方向に温度差が生じる。その結果、異方熱電効果により、ＹＢＣＯ薄膜の表面と平行な方向に起電力が発生する。この起電力を読み取ることで、ＹＢＣＯ薄膜の表面に入射した電磁波を検出することができる。このＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器では、約１００ｍＶ／Ｋの感度で電磁波の検出が可能である。
式（１）より、異方熱電効果によって発生する起電力Ｖxは、ゼーベック係数の異方性による差ΔＳ、試料のアスペクト比ｌ／ｄ、および傾斜角度αの２倍の角度の正弦値ｓｉｎ２αに比例する。ＹＢＣＯ薄膜は、ΔＳが１０μＶ／Ｋよりも小さく、ＣｕＯ2面の傾斜角度αが単一の角度に保たれる上限は、約１０〜２０°に制限される（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。したがって、ＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器では、実用化するためには感度が十分とはいえない。傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の感度を向上させるには、ΔＳがより大きい材料を用いる、薄膜の傾斜角度αをできるだけ４５度に近づける等の方法がある。傾斜積層薄膜における傾斜角度αの範囲は、薄膜材料と、当該薄膜材料が積層される基板材料との組み合わせに依存するため、傾斜角度αを４５°付近まで幅広く制御できるように、適切な基板材料を選ぶことが好ましい。
特許文献１には、Ｐｒが一部ドープされたＹＢＣＯ薄膜を用いる放射検出器が開示されている。特許文献１によると、この放射検出器は、ノンドープのＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器に比べて、約２０倍の感度を有する。そして、この理由は、ＰｒドープによってＹＢＣＯ薄膜のゼーベック係数が増加するためである、と示唆されている。しかし、非特許文献３には、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜において、ａｂ面内方向のゼーベック係数は増加するが、ｃ軸方向のゼーベック係数は変化しないことが記載されている。また、非特許文献３には、特許文献１の放射検出器に用いられるＹＢＣＯ薄膜におけるＰｒドープ範囲では、ΔＳが小さくなると記載されている。そこで、特許文献１において使用されている波長２４８ｎｍの光とは異なる波長（３０８ｎｍ）の光を使用して、非特許文献３と同様の実験方法により、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜の光照射に対する応答を、実際に測定した。その結果、異方熱電効果によって発生する起電力は、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜の方が小さくなることが確認された。
ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜を用いた、放射検出器の感度が向上した原因は、おそらく、Ｐｒドープにより、波長２４８ｎｍの光に対するＹＢＣＯ薄膜の吸収係数が増加したためであると考えられる。つまり、特許文献１の放射検出器は、波長２４８ｎｍの光に対しては高感度であるが、他の波長域については、検出感度が向上するとは言い切れない。
特開平８−２４７８５１号公報
H. S. Kwok, J. P. Zheng, "Anomalous photovoltaic response in YBa2Cu3O7", The American Physical Society, PHYSICAL REVIEW B, (1992),VOLUME 46, NUMBER 6, 3692 Physica C 377 (2002) 26-35, Elsevier Science B. V. 15th International Conference on Thermoelectrics (1996), IEEE, pp. 494-498
本発明は、上述の事情に鑑みてなされた発明であり、その目的は、より検出感度の高い放射検出器および放射検出方法を提供することである。
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の放射検出器は、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層されたＦｅ2Ｏ3薄膜と、前記Ｆｅ2Ｏ3薄膜上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備する。
また、本発明の放射検出方法は、放射検出器を用いて電磁波を検出する放射検出方法であって、前記放射検出器が、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層されたＦｅ2Ｏ3薄膜と、前記Ｆｅ2Ｏ3薄膜上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向において、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜に入射する電磁波によって、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜内で生じる温度差に基づき、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する熱起電力を取り出し、前記熱起電力に基づき、前記電磁波を検出する。
本発明者等は、様々な条件を検討し、最適化することにより、ＣａxＣｏＯ2薄膜、Ｆｅ2Ｏ3薄膜、Ａｌ2Ｏ3基板の３層構造を有する積層体において、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対して、結晶軸が大きく傾斜したＣａxＣｏＯ2薄膜を作製することが可能であることを見出した。この３層構造を有する積層体を備えた放射検出器によれば、傾斜積層薄膜であるＣａxＣｏＯ2薄膜の結晶軸の傾斜角度を大きくすることができる。したがって、傾斜角度を４５°に近づけることもでき、それにより、放射検出器の検出感度（起電力）を大きくすることができる。
本発明によれば、より検出感度の高い放射検出器および放射検出方法を提供することができる。
本発明に係る放射検出器の一形態の断面図 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のθ−２θスキャンＸＲＤパターンを示す図 ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のθ−２θスキャンＸＲＤパターンを示す図 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のポールフィギュアを示す図 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体の３層断面像 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3界面近傍の断面像 ＣａxＣｏＯ2薄膜内の高分解能像 起電力測定用の放射検出器の構成を示す斜視図 電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフ ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜のポールフィギュアを示す図 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜のポールフィギュアを示す図 放射検出器におけるｓｉｎ２αと傾斜整列方向についての電圧との関係を示すグラフ 異方熱電効果を説明するための座標系の図
図１は、本発明に係る放射検出器の一形態の断面図である。図１に示すように、放射検出器１０は、Ａｌ2Ｏ3基板（サファイア基板）１１と、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に積層されたＦｅ2Ｏ3薄膜１２と、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２上に積層されたＣａxＣｏＯ2薄膜１３と、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に配置された第１電極１４および第２電極１５とを備えている。ただし、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は、作製条件により組成ずれを生じることがあるが、ｘは０．１５＜ｘ＜０．５５であればよい。
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は傾斜積層薄膜であって、ＣｏＯ2層とＣａxブロック層とが交互に積層した層状構造を有する。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、ＣｏＯ2面１６内方向のゼーベック係数Ｓabと、その垂直方向であるＣａxＣｏＯ2薄膜１３のｃ軸方向のゼーベック係数Ｓcとは異なる値であり、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は異方性を示す。
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、複数のＣｏＯ2面１６は、Ａｌ2Ｏ3基板１１表面に対して傾斜していて、互いに平行に、並んで配置されている。第２電極１５は、第１電極１４に対して起電力取り出し方向１７に離間して配置されている。つまり、起電力取出し方向は、第１電極１４と第２電極１５とが対向する方向である。起電力取出し方向１７は、ＣｏＯ2面１６とＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面との交線（紙面に対して垂直方向の線）に対して垂直であって、かつＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面に平行な方向であり、ＣｏＯ2面１６が傾斜して並んでいる方向である。ＣｏＯ2面１６は、起電力取出し方向１７に対して、傾斜角度αで傾斜している。また、ＣｏＯ2面１６は、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対しても、傾斜角度αで傾斜している。
放射検出器１０は、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２、Ａｌ2Ｏ3基板１１からなる３層構造を有している。この３層構造の積層体において、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対して、結晶軸が大きく傾斜した構造を持つ傾斜積層薄膜（ＣａxＣｏＯ2薄膜１３）を作製することが可能である。したがって、傾斜角度αを、従来の放射検出器の傾斜積層薄膜の傾斜角度よりも大きくすることができる。放射検出器１０においては、傾斜角度αは、１０°以上８０°以下であればよく、好ましくは２５°以上６５°以下である。これにより、検出感度の高い放射検出器１０を実現できる。式（１）からもわかるように、放射検出器１０において、傾斜角度αは４５°であることが特に好ましい。放射検出器１０においては、傾斜角度αをより４５°に近づけることができる。
放射検出器１０において、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３に電磁波が入射すると、電磁波はＣａxＣｏＯ2薄膜１３に吸収される。これにより、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、薄膜面間方向１８に温度勾配が生じる。薄膜面間方向１８は、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面に対して垂直である方向であり、起電力取出し方向１７に対して直交する。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３内に温度差が生じることで、異方熱電効果により、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３には、起電力取出し方向１７に起電力が発生する。発生した起電力は、第１電極１４および第２電極１５を介して外部に出力される。第１電極１４および第２電極１５を介して出力される起電力を検出することで、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３に入射した電磁波を検出することができる。
本発明の放射検出器１０は、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３を順次積層し、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に、第１電極１４および第２電極１５を設置することで作製することができる。Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２およびＣａxＣｏＯ2薄膜１３を積層する方法は特に限定されない。例えば、スパッタ法、蒸着法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長法などの気相成長によるもの、あるいは液相からの成長など、種々の方法を適用すればよい。Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２およびＣａxＣｏＯ2薄膜１３の膜厚は、共に単位格子層以上であれば、特に限定されるものではなく、具体的には、５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とすればよい。なお、この範囲以外の厚さであっても、問題はない。
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３のＣｏＯ2面１６の傾斜角度αは、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面とＡｌ2Ｏ3基板１１の（０００１）面１９との傾斜角度βの値により決定される。したがって、放射検出器１０を作製する際に、所望とする傾斜角度αの値に応じた傾斜角度βを有する、Ａｌ2Ｏ3基板１１を用意すればよい。なお、αは、β±１５°程度の値となるが、作製条件によって、αの値はこの範囲以外にも変動する。
第１電極１４および第２電極１５は、電気伝導性の高い材料であれば特に限定されない。具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｎ等の金属、ＴｉＮ等の窒化物、またはスズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、ＳｎＯ2等の酸化物を用いればよい。また、はんだ、導電性ペースト等を用いて、第１、第２電極１４、１５を作製してもよい。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に、第１、第２電極１４、１５を作製する方法は、特に限定されない。例えば、蒸着法、スパッタ法などの気相成長による方法の他に、導電性ペーストの塗布、めっき、溶射、はんだによる接合など、様々な方法を用いることができる。なお、第１電極１４および第２電極１５の構成材料は、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌが好ましく、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕがさらに好ましく、ＣｕまたはＡｇが特に好ましい。
なお、放射検出器１０の製造方法は、Ａｌ2Ｏ3基板１１、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３からなる３層構造を実現し、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に第１、第２電極１４、１５を設置することができる方法であればよく、特に上記方法に限定されるものではない。
放射検出器１０は、作製の際に、Ａｌ2Ｏ3基板１１の（０００１）面１９の傾斜角度βを制御することで、傾斜角度αを制御できるため、幅広い範囲で傾斜角度αを制御することができる。それにより、従来のＹＢＣＯ薄膜に比べて、約４倍程度大きいΔＳを有するＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、従来のＹＢＣＯ薄膜のＣｕＯ2面の傾斜角度を大きく上回るＣｏＯ2面の傾斜角度を実現できる。したがって、従来の、傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の性能を大きく超える放射検出器の実現が可能である。本発明は、熱と電気とのエネルギー変換の応用を促進させるものであり、本発明の工業的価値は高い。
なお、傾斜積層薄膜としてＣａxＣｏＯ2薄膜を用いたが、代わりにＳｒxＣｏＯ2薄膜を用いても、同様の効果を奏すると考えられる。
以下、本発明のより具体的な実施例を説明する。
（実施例１、比較例）
実施例１では、（０００１）面から約５７°傾斜した（１−１０２）面を表面にもつＡｌ2Ｏ3−ｒ面基板上に、Ｆｅ2Ｏ3薄膜を積層し、さらにＦｅ2Ｏ3薄膜上に、ＣａxＣｏＯ2薄膜を積層して、３層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜を、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜と表記する。なお、この場合の傾斜角度βは、５７°である。以下における薄膜の作製には、すべて、高周波（ＲＦ：Radio Frequency）マグネトロンスパッタを使用した。
Ｆｅ2Ｏ3薄膜（膜厚１００ｎｍ）は、Ｆｅ2Ｏ3ターゲットを使用して、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ）上に作製した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、アルゴンガスを導入しながら、チャンバー内のガス圧を１Ｐａに保ち、ヒーター加熱をせずにスパッタを行った。スパッタ時のＲＦパワーは１００Ｗとした。
ＣａxＣｏＯ2薄膜（膜厚１５０ｎｍ）の作製には、Ｃａ、Ｃｏのモル比が１：１になるように混合したターゲットを使用した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入しながら、抵抗加熱ヒーターによりＦｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体を加熱した。ＣａxＣｏＯ2薄膜を作製するための最適な条件を選定するため、成膜条件として、ガス圧を５Ｐａに固定した状態で、Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体の温度を４００〜６００℃に変化させた。スパッタ時のＲＦパワーは１００Ｗに固定した。薄膜の堆積後は、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入し、チャンバー内のガス圧を５Ｐａに保ちながら、６０分かけて室温まで冷却した。ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の陽イオン組成比をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で評価したところ、Ｃａ、Ｃｏの組成比は、略１：２であった。したがって、ｘ≒０．５である。
また、比較例として、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板上にＣａxＣｏＯ2薄膜を積層して、２層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜を、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜と表記する。
ＣａxＣｏＯ2薄膜（膜厚１５０ｎｍ）は、Ｃａ、Ｃｏのモル比が１：１になるように混合したターゲットを使用して、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ）上に作製した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入しながら、抵抗加熱ヒーターによりＡｌ2Ｏ3−ｒ面基板を加熱した。ＣａxＣｏＯ2薄膜を作製するための最適な条件を選定するため、成膜条件として、ガス圧を５Ｐａに固定した状態で、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板の温度を４００〜６００℃に変化させた。スパッタ時のＲＦパワーは１００Ｗに固定した。薄膜の堆積後は、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入し、チャンバー内のガス圧を５Ｐａに保ちながら、６０分かけて室温まで冷却した。ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の陽イオン組成比をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で評価したところ、Ｃａ、Ｃｏの組成比は、略１：２であった。したがって、ｘ≒０．５である。
図２は、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のθ−２θスキャンＸ線回折（ＸＲＤ：X‐ray diffraction）パターンを示す図である。図２は、ＣａxＣｏＯ2薄膜の積層時の温度が５００℃であった、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の測定結果である。図２に示すように、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板およびＦｅ2Ｏ3薄膜の（１−１０２）面による回折ピーク以外に、２θ≒７５°において、回折ピークが１つ観測された。この角度は、ブラッグの条件から求めたＣａxＣｏＯ2薄膜の（０２２）回折ピークが現れる角度と略一致している。そのため、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜では、（００ｌ）面であるＣｏＯ2面が、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対して傾斜積層していることが示唆された。
図３に、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のθ−２θスキャンＸＲＤパターンを示す。図３は、ＣａxＣｏＯ2薄膜の積層時の温度が５００℃であった、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の測定結果である。図３に示すように、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板の（１−１０２）面による回折ピーク以外に、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３，４）に回折ピークが観測された。ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜において、（００ｌ）面はＣｏＯ2面に対応している。したがって、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜では、ＣｏＯ2面がＡｌ2Ｏ3基板の表面に対して平行に積層していることがわかった。つまり、傾斜積層構造は実現されていなかった。
次に、θ−２θスキャンＸＲＤにより示唆された、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜におけるＣｏＯ2面の傾斜積層構造を確認するため、ポールフィギュアＸＲＤ測定を行った。ポールフィギュア測定では、ある特定の結晶面の、基板表面に対する傾きや、その整列方向に関する情報を得ることができる。測定条件は、測定目的とする結晶面が水平面と平行になる配置において、Ｘ線の入射および検出角度（θ−２θ）をブラッグの条件を満たす角度に固定する。この状態で、基板平面を水平方向から傾け（ψ＝０〜９０°）、さらに面内方向に回転させる（φ＝０〜３６０°）。検出される散乱Ｘ線は、目的とする結晶面が水平面と平行になったときにのみ強め合う。ψ及びφを変化させ、検出される散乱光の強度分布を測定することで、その結晶面の傾斜角度（ψの値）や整列方向（φの値）を知ることができる。
ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の（００１）回折ピークが現れる角度に２θを固定して、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のポールフィギュアＸＲＤ測定を行った。その結果を図４に示す。図４より、ψ≒６０°、φ≒１８０°に最大値を持つ、１つの回折ピークが現れていることがわかる。これは、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の（００１）面が、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対して約６０°傾いていることを表している。したがって、傾斜角度αは約６０°である。この角度は、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜において、（０１１）面と（００ｌ）面とがなす角度とほぼ一致している。また、このポールフィギュアにおいて、（００１）回折ピークが１つしか観測されなかったことから、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜において、ＣｏＯ2面は単一方向に傾斜積層していることがわかった。
ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜におけるＣｏＯ2面の傾斜積層構造をさらに確認するため、断面透過電子顕微鏡による評価を行った。図５は、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体の３層断面像であり、図６は、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3界面近傍の断面像であり、図７は、ＣａxＣｏＯ2薄膜内の高分解能像である。図５〜７に示すように、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜内において、約６０°傾斜した一様なストライプ構造が明瞭に観察された。一様なＣｏＯ2層の傾斜積層構造が、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜において実際に形成されていて、傾斜角度αが約６０°である。これは、ポールフィギュア測定で得られた結果と一致している。以上より、Ａｌ2Ｏ3基板上にＦｅ2Ｏ3薄膜をバッファ層として積層し、その上にＣａxＣｏＯ2薄膜を積層することで、Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して、ＣｏＯ2面が傾斜積層したＣａxＣｏＯ2薄膜を作製できることがわかる。
図８は、起電力測定用の放射検出器の構成を示す斜視図である。図８に示すように、放射検出器２０は、順次積層された、Ａｌ2Ｏ3基板１１、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３と、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に設置された第１電極対２１および第２電極対２２とを備える。第１電極対２１は、ＣｏＯ2面１６の傾斜整列方向２３に沿って離間して配置された一対の電極であり、第２電極対２２は、傾斜整列方向２３に垂直な方向に沿って離間して配置された一対の電極である。なお、傾斜整列方向２３は、起電力取出し方向と同一である。第１電極対２１の各電極間を結んだ線分と、第２電極対２２の各電極間を結んだ線分との交点が、互いの線分の中心位置であるように、第１電極対２１および第２電極対２２を配置した。なお、第２電極対２２は、傾斜整列方向２３と垂直な方向に起電力が発生するか否かを確認するためのものであり、実際の放射検出器においては、配置しなくてもよい。
ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜を用いて、図８に示す構造の放射検出器を作製した。ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体において、ＣａxＣｏＯ2薄膜の表面に、真空蒸着法により、第１電極対および第２電極対となる、Ａｕからなる２組の電極対を形成した。各電極対における、それぞれの電極間の幅は６ｍｍにした。なお、実際の放射検出器において、電極幅は６ｍｍに限定されるわけではなく、用途や設置場所などに応じて、適宜最適化すればよい。
作製した放射検出器の表面に対して、赤外線ランプ（波長８００〜２０００ｎｍ）から発生させた電磁波を、スポット径が８ｍｍとなるように入射させた。具体的には、赤外線ランプから４８０ｍＷの電磁波を出力し、ＣａxＣｏＯ2薄膜表面の中心位置に入射させ、傾斜整列方向に生じる起電力Ｖ1と、傾斜整列方向に対して垂直方向に生じる起電力Ｖ2とを測定した。その測定結果を図９に示す。図９は、電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフである。赤外線ランプからの電磁波が、放射検出器に入射していない場合は、起電力Ｖ1およびＶ2は生じていない。そして、赤外線ランプをＯｎとして電磁波を入射すると、起電力Ｖ1は急激に増加し、定常的に約１４０μＶの値を示した。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。その後、赤外線ランプをＯＦＦとして電磁波を遮断すると、起電力Ｖ1は急激に減少し、ゼロに戻った。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。したがって、放射検出器において、起電力が生じる方向は、傾斜整列方向のみである。起電力の発生方向が、ＣｏＯ2面の傾斜整列方向に依存していることから、Ｖ1の起電力の発生が、異方熱電効果に由来することがわかる。
この放射検出器のＣａxＣｏＯ2薄膜層の表裏面に生じている温度差ΔＴzは、式（１）より、０．２ｍＫ程度と見積もられる。なお、式（１）における各値は、ΔＳ＝３５μＶ／Ｋ、ｄ＝１５０ｎｍ、ｌ＝６ｍｍ、α＝６０°、Ｖx＝１４０μＶである。したがって、傾斜整列方向の検出感度は６００ｍＶ／Ｋに達する。これは、従来のＹＢＣＯ傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の検出感度（１００ｍＶ／Ｋ）と比較すると、約６倍である。
（実施例２）
実施例２では、（０００１）面から約６１°傾斜した（１１−２３）面を表面にもつＡｌ2Ｏ3−ｎ面基板上に、実施例１と同様にして、Ｆｅ2Ｏ3薄膜およびＣａxＣｏＯ2薄膜を順次積層して３層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜をＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜と表記する。なお、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板の傾斜角度βは、６１°である。
また、実施例２では、（０００１）面から約７２°傾斜した（１０−１１）面を表面にもつＡｌ2Ｏ3−Ｓ面基板上に、実施例１と同様にして、Ｆｅ2Ｏ3薄膜およびＣａxＣｏＯ2薄膜を順次積層して３層構造の積層体も作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜をＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜と表記する。なお、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ面基板の傾斜角度βは、７２°である。
ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜について、ポールフィギュアＸＲＤ測定を行った結果を、図１０および図１１に示す。図１０に示すように、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜では、ＣｏＯ2面はＡｌ2Ｏ3基板の表面に対して約７５°傾斜していることがわかる。したがって、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜の傾斜角度αは約７５°である。また、図１１に示すように、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜では、ＣｏＯ2面はＡｌ2Ｏ3基板の表面に対して約８０°傾斜していることがわかる。したがって、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜の傾斜角度αは約８０°である。以上より、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対するＡｌ2Ｏ3基板の（０００１）面の傾斜角度βを制御することにより、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3積層体における、ＣａxＣｏＯ2薄膜のＣｏＯ2面の傾斜角度αを制御可能であることが確認できた。
実施例１と同様に、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜上、およびＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜上に、それぞれ２組のＡｕ電極対を作製して、図８に示す構造の放射検出器を作製した。そして、実施例１と同様に、これらの放射検出器についても、赤外線ランプからの電磁波を入射させて、傾斜整列方向の起電力Ｖ1および傾斜整列方向と垂直方向の起電力Ｖ2とを測定した。
実施例２のＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を用いた、それぞれの放射検出器は、実施例１の放射検出器と同様に、電磁波が入射していない場合には、起電力Ｖ1およびＶ2は生じていない。そして、赤外線ランプがＯｎになり、電磁波が入射されると、いずれの放射検出器においても、起電力Ｖ1が急激に増加し、定常的に約８０μＶの値を示した。一方、起電力Ｖ2は、いずれの放射検出器においても、顕著な増減を示さなかった。その後、赤外線ランプがＯＦＦになり、電磁波が遮断されると、いずれの放射検出器においても、起電力Ｖ1が急激に減少し、ゼロに戻った。一方、起電力Ｖ2は、いずれの放射検出器においても、顕著な増減を示さなかった。
図１２は、放射検出器において、ｓｉｎ２αと傾斜整列方向についての電圧との関係を示すグラフであって、縦軸は放射検出器における傾斜整列方向についての起電力であり、横軸はｓｉｎ２αである。図１２には、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を、それぞれ用いた放射検出器による測定結果が示されている。図１２より、式（１）に示されたように、起電力がｓｉｎ２αに対してほぼ線形に変化することがわかる。また、式（１）に示されるように、傾斜角度αが４５°に近いほど、放射検出器の感度が高くなることも、図１２より確認できた。
本発明に係る放射検出器は、優れた放射検出特性を有しており、温度センサーや、レーザー光のパワーメーターなど、電磁波の放射を伴う各種対象物の検出に利用可能である。
本発明は、異方熱電効果を利用した、放射検出器およびそれを用いた放射検出方法に関する。
熱電変換材料の両端に温度差が生じると、その温度差に比例して起電力（熱起電力）が発生する。熱電変換材料において、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される現象は、ゼーベック効果として知られている。発生する起電力Ｖは、温度差ΔＴと、材料固有のゼーベック係数Ｓとを用いて、Ｖ＝ＳΔＴで表される。
等方的な物性を示す熱電変換材料において、ゼーベック効果によって発生する起電力は、温度差が生じた方向にのみ生じる。一方、電気輸送特性に異方性を示す熱電変換材料は、結晶軸の傾斜配置により、温度差が生じた方向と直交する方向に起電力が発生する。なお、電気輸送特性とは、電荷をもつ電子や正孔が物質中を移動する振舞いをいう。このように、材料の結晶軸の傾斜配置により、温度差が生じた方向（熱流方向）とは異なる方向に起電力が発生する現象を、異方熱電効果あるいは非対角熱電効果という。
図１３は、異方熱電効果を説明するための座標系の図である。図１３に示すように、試料１０１の結晶軸ａｂｃが、空間軸ｘｙｚに対して傾斜している。試料１０１において、ｚ軸に沿った方向に温度差ΔＴzを与えると、ｚ軸と直交する方向であるｘ軸に沿った方向に、起電力Ｖxが発生する。起電力Ｖxは、式（１）により表わされる。
Figure 2010058559
 ただし、ｌは試料１０１の幅、ｄは試料１０１の厚さ、αは試料１０１の表面（ｘｙ面）に対するａｂ面の傾斜角度、ΔＳはｃ軸方向のゼーベック係数Ｓcとａｂ面内方向のゼーベック係数Ｓabとの差（異方性による差）を表す。
従来、異方熱電効果を利用した放射検出器として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d（以下、ＹＢＣＯという）の傾斜積層薄膜を用いた放射検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。傾斜積層薄膜とは、基板に積層された薄膜であって、結晶軸が、基板の表面に対して傾斜し、複数の層が積層された構造の薄膜をいう。ＹＢＣＯ薄膜は、電気伝導性を有するＣｕＯ2層、絶縁性を有するＹ層およびＢａＯ層が、ｃ軸方向に沿って交互に積層された異方的な結晶構造を有する。このＹＢＣＯ薄膜を、適当な基板表面上に、ｃ軸が基板表面に対して傾斜するように積層（傾斜積層）した場合、図１３と同様の系が成り立つ。ＣｕＯ2面は、図１３におけるａｂ面に対応する。この傾斜積層されたＹＢＣＯ薄膜の表面に電磁波が入射すると、ＹＢＣＯ薄膜の表面と垂直な方向に温度差が生じる。その結果、異方熱電効果により、ＹＢＣＯ薄膜の表面と平行な方向に起電力が発生する。この起電力を読み取ることで、ＹＢＣＯ薄膜の表面に入射した電磁波を検出することができる。このＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器では、約１００ｍＶ／Ｋの感度で電磁波の検出が可能である。
式（１）より、異方熱電効果によって発生する起電力Ｖxは、ゼーベック係数の異方性による差ΔＳ、試料のアスペクト比ｌ／ｄ、および傾斜角度αの２倍の角度の正弦値ｓｉｎ２αに比例する。ＹＢＣＯ薄膜は、ΔＳが１０μＶ／Ｋよりも小さく、ＣｕＯ2面の傾斜角度αが単一の角度に保たれる上限は、約１０〜２０°に制限される（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。したがって、ＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器では、実用化するためには感度が十分とはいえない。傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の感度を向上させるには、ΔＳがより大きい材料を用いる、薄膜の傾斜角度αをできるだけ４５度に近づける等の方法がある。傾斜積層薄膜における傾斜角度αの範囲は、薄膜材料と、当該薄膜材料が積層される基板材料との組み合わせに依存するため、傾斜角度αを４５°付近まで幅広く制御できるように、適切な基板材料を選ぶことが好ましい。
特許文献１には、Ｐｒが一部ドープされたＹＢＣＯ薄膜を用いる放射検出器が開示されている。特許文献１によると、この放射検出器は、ノンドープのＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器に比べて、約２０倍の感度を有する。そして、この理由は、ＰｒドープによってＹＢＣＯ薄膜のゼーベック係数が増加するためである、と示唆されている。しかし、非特許文献３には、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜において、ａｂ面内方向のゼーベック係数は増加するが、ｃ軸方向のゼーベック係数は変化しないことが記載されている。また、非特許文献３には、特許文献１の放射検出器に用いられるＹＢＣＯ薄膜におけるＰｒドープ範囲では、ΔＳが小さくなると記載されている。そこで、特許文献１において使用されている波長２４８ｎｍの光とは異なる波長（３０８ｎｍ）の光を使用して、非特許文献３と同様の実験方法により、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜の光照射に対する応答を、実際に測定した。その結果、異方熱電効果によって発生する起電力は、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜の方が小さくなることが確認された。
ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜を用いた、放射検出器の感度が向上した原因は、おそらく、Ｐｒドープにより、波長２４８ｎｍの光に対するＹＢＣＯ薄膜の吸収係数が増加したためであると考えられる。つまり、特許文献１の放射検出器は、波長２４８ｎｍの光に対しては高感度であるが、他の波長域については、検出感度が向上するとは言い切れない。
特開平８−２４７８５１号公報
H. S. Kwok, J. P. Zheng, "Anomalous photovoltaic response in YBa2Cu3O7", The American Physical Society, PHYSICAL REVIEW B, (1992),VOLUME 46, NUMBER 6, 3692 Physica C 377 (2002) 26-35, Elsevier Science B. V. 15th International Conference on Thermoelectrics (1996),IEEE, pp. 494-498
本発明は、上述の事情に鑑みてなされた発明であり、その目的は、より検出感度の高い放射検出器および放射検出方法を提供することである。
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の放射検出器は、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層されたＦｅ2Ｏ3薄膜と、前記Ｆｅ2Ｏ3薄膜上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備する。
また、本発明の放射検出方法は、放射検出器を用いて電磁波を検出する放射検出方法であって、前記放射検出器が、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層されたＦｅ2Ｏ3薄膜と、前記Ｆｅ2Ｏ3薄膜上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向において、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜に入射する電磁波によって、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜内で生じる温度差に基づき、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する熱起電力を取り出し、前記熱起電力に基づき、前記電磁波を検出する。
本発明者等は、様々な条件を検討し、最適化することにより、ＣａxＣｏＯ2薄膜、Ｆｅ2Ｏ3薄膜、Ａｌ2Ｏ3基板の３層構造を有する積層体において、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対して、結晶軸が大きく傾斜したＣａxＣｏＯ2薄膜を作製することが可能であることを見出した。この３層構造を有する積層体を備えた放射検出器によれば、傾斜積層薄膜であるＣａxＣｏＯ2薄膜の結晶軸の傾斜角度を大きくすることができる。したがって、傾斜角度を４５°に近づけることもでき、それにより、放射検出器の検出感度（起電力）を大きくすることができる。
本発明によれば、より検出感度の高い放射検出器および放射検出方法を提供することができる。
本発明に係る放射検出器の一形態の断面図 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のθ−２θスキャンＸＲＤパターンを示す図 ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のθ−２θスキャンＸＲＤパターンを示す図 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のポールフィギュアを示す図 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体の３層断面像 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3界面近傍の断面像 ＣａxＣｏＯ2薄膜内の高分解能像 起電力測定用の放射検出器の構成を示す斜視図 電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフ ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜のポールフィギュアを示す図 ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜のポールフィギュアを示す図 放射検出器におけるｓｉｎ２αと傾斜整列方向についての電圧との関係を示すグラフ 異方熱電効果を説明するための座標系の図
図１は、本発明に係る放射検出器の一形態の断面図である。図１に示すように、放射検出器１０は、Ａｌ2Ｏ3基板（サファイア基板）１１と、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に積層されたＦｅ2Ｏ3薄膜１２と、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２上に積層されたＣａxＣｏＯ2薄膜１３と、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に配置された第１電極１４および第２電極１５とを備えている。ただし、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は、作製条件により組成ずれを生じることがあるが、ｘは０．１５＜ｘ＜０．５５であればよい。
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は傾斜積層薄膜であって、ＣｏＯ2層とＣａxブロック層とが交互に積層した層状構造を有する。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、ＣｏＯ2面１６内方向のゼーベック係数Ｓabと、その垂直方向であるＣａxＣｏＯ2薄膜１３のｃ軸方向のゼーベック係数Ｓcとは異なる値であり、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は異方性を示す。
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、複数のＣｏＯ2面１６は、Ａｌ2Ｏ3基板１１表面に対して傾斜していて、互いに平行に、並んで配置されている。第２電極１５は、第１電極１４に対して起電力取り出し方向１７に離間して配置されている。つまり、起電力取出し方向は、第１電極１４と第２電極１５とが対向する方向である。起電力取出し方向１７は、ＣｏＯ2面１６とＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面との交線（紙面に対して垂直方向の線）に対して垂直であって、かつＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面に平行な方向であり、ＣｏＯ2面１６が傾斜して並んでいる方向である。ＣｏＯ2面１６は、起電力取出し方向１７に対して、傾斜角度αで傾斜している。また、ＣｏＯ2面１６は、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対しても、傾斜角度αで傾斜している。
放射検出器１０は、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２、Ａｌ2Ｏ3基板１１からなる３層構造を有している。この３層構造の積層体において、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対して、結晶軸が大きく傾斜した構造を持つ傾斜積層薄膜（ＣａxＣｏＯ2薄膜１３）を作製することが可能である。したがって、傾斜角度αを、従来の放射検出器の傾斜積層薄膜の傾斜角度よりも大きくすることができる。放射検出器１０においては、傾斜角度αは、１０°以上８０°以下であればよく、好ましくは２５°以上６５°以下である。これにより、検出感度の高い放射検出器１０を実現できる。式（１）からもわかるように、放射検出器１０において、傾斜角度αは４５°であることが特に好ましい。放射検出器１０においては、傾斜角度αをより４５°に近づけることができる。
放射検出器１０において、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３に電磁波が入射すると、電磁波はＣａxＣｏＯ2薄膜１３に吸収される。これにより、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、薄膜面間方向１８に温度勾配が生じる。薄膜面間方向１８は、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面に対して垂直である方向であり、起電力取出し方向１７に対して直交する。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３内に温度差が生じることで、異方熱電効果により、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３には、起電力取出し方向１７に起電力が発生する。発生した起電力は、第１電極１４および第２電極１５を介して外部に出力される。第１電極１４および第２電極１５を介して出力される起電力を検出することで、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３に入射した電磁波を検出することができる。
本発明の放射検出器１０は、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３を順次積層し、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に、第１電極１４および第２電極１５を設置することで作製することができる。Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２およびＣａxＣｏＯ2薄膜１３を積層する方法は特に限定されない。例えば、スパッタ法、蒸着法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長法などの気相成長によるもの、あるいは液相からの成長など、種々の方法を適用すればよい。Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２およびＣａxＣｏＯ2薄膜１３の膜厚は、共に単位格子層以上であれば、特に限定されるものではなく、具体的には、５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とすればよい。なお、この範囲以外の厚さであっても、問題はない。
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３のＣｏＯ2面１６の傾斜角度αは、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面とＡｌ2Ｏ3基板１１の（０００１）面１９との傾斜角度βの値により決定される。したがって、放射検出器１０を作製する際に、所望とする傾斜角度αの値に応じた傾斜角度βを有する、Ａｌ2Ｏ3基板１１を用意すればよい。なお、αは、β±１５°程度の値となるが、作製条件によって、αの値はこの範囲以外にも変動する。
第１電極１４および第２電極１５は、電気伝導性の高い材料であれば特に限定されない。具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｎ等の金属、ＴｉＮ等の窒化物、またはスズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、ＳｎＯ2等の酸化物を用いればよい。また、はんだ、導電性ペースト等を用いて、第１、第２電極１４、１５を作製してもよい。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に、第１、第２電極１４、１５を作製する方法は、特に限定されない。例えば、蒸着法、スパッタ法などの気相成長による方法の他に、導電性ペーストの塗布、めっき、溶射、はんだによる接合など、様々な方法を用いることができる。なお、第１電極１４および第２電極１５の構成材料は、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌが好ましく、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕがさらに好ましく、ＣｕまたはＡｇが特に好ましい。
なお、放射検出器１０の製造方法は、Ａｌ2Ｏ3基板１１、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３からなる３層構造を実現し、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に第１、第２電極１４、１５を設置することができる方法であればよく、特に上記方法に限定されるものではない。
放射検出器１０は、作製の際に、Ａｌ2Ｏ3基板１１の（０００１）面１９の傾斜角度βを制御することで、傾斜角度αを制御できるため、幅広い範囲で傾斜角度αを制御することができる。それにより、従来のＹＢＣＯ薄膜に比べて、約４倍程度大きいΔＳを有するＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、従来のＹＢＣＯ薄膜のＣｕＯ2面の傾斜角度を大きく上回るＣｏＯ2面の傾斜角度を実現できる。したがって、従来の、傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の性能を大きく超える放射検出器の実現が可能である。本発明は、熱と電気とのエネルギー変換の応用を促進させるものであり、本発明の工業的価値は高い。
なお、傾斜積層薄膜としてＣａxＣｏＯ2薄膜を用いたが、代わりにＳｒxＣｏＯ2薄膜を用いても、同様の効果を奏すると考えられる。
以下、本発明のより具体的な実施例を説明する。
（実施例１、比較例）
実施例１では、（０００１）面から約５７°傾斜した（１−１０２）面を表面にもつＡｌ2Ｏ3−ｒ面基板上に、Ｆｅ2Ｏ3薄膜を積層し、さらにＦｅ2Ｏ3薄膜上に、ＣａxＣｏＯ2薄膜を積層して、３層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜を、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜と表記する。なお、この場合の傾斜角度βは、５７°である。以下における薄膜の作製には、すべて、高周波（ＲＦ：Radio Frequency）マグネトロンスパッタを使用した。
Ｆｅ2Ｏ3薄膜（膜厚１００ｎｍ）は、Ｆｅ2Ｏ3ターゲットを使用して、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ）上に作製した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、アルゴンガスを導入しながら、チャンバー内のガス圧を１Ｐａに保ち、ヒーター加熱をせずにスパッタを行った。スパッタ時のＲＦパワーは１００Ｗとした。
ＣａxＣｏＯ2薄膜（膜厚１５０ｎｍ）の作製には、Ｃａ、Ｃｏのモル比が１：１になるように混合したターゲットを使用した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入しながら、抵抗加熱ヒーターによりＦｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体を加熱した。ＣａxＣｏＯ2薄膜を作製するための最適な条件を選定するため、成膜条件として、ガス圧を５Ｐａに固定した状態で、Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体の温度を４００〜６００℃に変化させた。スパッタ時のＲＦパワーは１００Ｗに固定した。薄膜の堆積後は、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入し、チャンバー内のガス圧を５Ｐａに保ちながら、６０分かけて室温まで冷却した。ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の陽イオン組成比をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で評価したところ、Ｃａ、Ｃｏの組成比は、略１：２であった。したがって、ｘ≒０．５である。
また、比較例として、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板上にＣａxＣｏＯ2薄膜を積層して、２層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜を、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜と表記する。
ＣａxＣｏＯ2薄膜（膜厚１５０ｎｍ）は、Ｃａ、Ｃｏのモル比が１：１になるように混合したターゲットを使用して、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ）上に作製した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入しながら、抵抗加熱ヒーターによりＡｌ2Ｏ3−ｒ面基板を加熱した。ＣａxＣｏＯ2薄膜を作製するための最適な条件を選定するため、成膜条件として、ガス圧を５Ｐａに固定した状態で、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板の温度を４００〜６００℃に変化させた。スパッタ時のＲＦパワーは１００Ｗに固定した。薄膜の堆積後は、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入し、チャンバー内のガス圧を５Ｐａに保ちながら、６０分かけて室温まで冷却した。ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の陽イオン組成比をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で評価したところ、Ｃａ、Ｃｏの組成比は、略１：２であった。したがって、ｘ≒０．５である。
図２は、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のθ−２θスキャンＸ線回折（ＸＲＤ：X‐ray diffraction）パターンを示す図である。図２は、ＣａxＣｏＯ2薄膜の積層時の温度が５００℃であった、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の測定結果である。図２に示すように、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板およびＦｅ2Ｏ3薄膜の（１−１０２）面による回折ピーク以外に、２θ≒７５°において、回折ピークが１つ観測された。この角度は、ブラッグの条件から求めたＣａxＣｏＯ2薄膜の（０２２）回折ピークが現れる角度と略一致している。そのため、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜では、（００ｌ）面であるＣｏＯ2面が、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対して傾斜積層していることが示唆された。
図３に、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のθ−２θスキャンＸＲＤパターンを示す。図３は、ＣａxＣｏＯ2薄膜の積層時の温度が５００℃であった、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の測定結果である。図３に示すように、Ａｌ2Ｏ3−ｒ面基板の（１−１０２）面による回折ピーク以外に、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の（００ｌ）面（ｌ＝１，２，３，４）に回折ピークが観測された。ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜において、（００ｌ）面はＣｏＯ2面に対応している。したがって、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜では、ＣｏＯ2面がＡｌ2Ｏ3基板の表面に対して平行に積層していることがわかった。つまり、傾斜積層構造は実現されていなかった。
次に、θ−２θスキャンＸＲＤにより示唆された、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜におけるＣｏＯ2面の傾斜積層構造を確認するため、ポールフィギュアＸＲＤ測定を行った。ポールフィギュア測定では、ある特定の結晶面の、基板表面に対する傾きや、その整列方向に関する情報を得ることができる。測定条件は、測定目的とする結晶面が水平面と平行になる配置において、Ｘ線の入射および検出角度（θ−２θ）をブラッグの条件を満たす角度に固定する。この状態で、基板平面を水平方向から傾け（ψ＝０〜９０°）、さらに面内方向に回転させる（φ＝０〜３６０°）。検出される散乱Ｘ線は、目的とする結晶面が水平面と平行になったときにのみ強め合う。ψ及びφを変化させ、検出される散乱光の強度分布を測定することで、その結晶面の傾斜角度（ψの値）や整列方向（φの値）を知ることができる。
ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の（００１）回折ピークが現れる角度に２θを固定して、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜のポールフィギュアＸＲＤ測定を行った。その結果を図４に示す。図４より、ψ≒６０°、φ≒１８０°に最大値を持つ、１つの回折ピークが現れていることがわかる。これは、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜の（００１）面が、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対して約６０°傾いていることを表している。したがって、傾斜角度αは約６０°である。この角度は、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜において、（０１１）面と（００ｌ）面とがなす角度とほぼ一致している。また、このポールフィギュアにおいて、（００１）回折ピークが１つしか観測されなかったことから、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜において、ＣｏＯ2面は単一方向に傾斜積層していることがわかった。
ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜におけるＣｏＯ2面の傾斜積層構造をさらに確認するため、断面透過電子顕微鏡による評価を行った。図５は、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体の３層断面像であり、図６は、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3界面近傍の断面像であり、図７は、ＣａxＣｏＯ2薄膜内の高分解能像である。図５〜７に示すように、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜内において、約６０°傾斜した一様なストライプ構造が明瞭に観察された。一様なＣｏＯ2層の傾斜積層構造が、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜において実際に形成されていて、傾斜角度αが約６０°である。これは、ポールフィギュア測定で得られた結果と一致している。以上より、Ａｌ2Ｏ3基板上にＦｅ2Ｏ3薄膜をバッファ層として積層し、その上にＣａxＣｏＯ2薄膜を積層することで、Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して、ＣｏＯ2面が傾斜積層したＣａxＣｏＯ2薄膜を作製できることがわかる。
図８は、起電力測定用の放射検出器の構成を示す斜視図である。図８に示すように、放射検出器２０は、順次積層された、Ａｌ2Ｏ3基板１１、Ｆｅ2Ｏ3薄膜１２、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３と、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に設置された第１電極対２１および第２電極対２２とを備える。第１電極対２１は、ＣｏＯ2面１６の傾斜整列方向２３に沿って離間して配置された一対の電極であり、第２電極対２２は、傾斜整列方向２３に垂直な方向に沿って離間して配置された一対の電極である。なお、傾斜整列方向２３は、起電力取出し方向と同一である。第１電極対２１の各電極間を結んだ線分と、第２電極対２２の各電極間を結んだ線分との交点が、互いの線分の中心位置であるように、第１電極対２１および第２電極対２２を配置した。なお、第２電極対２２は、傾斜整列方向２３と垂直な方向に起電力が発生するか否かを確認するためのものであり、実際の放射検出器においては、配置しなくてもよい。
ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜を用いて、図８に示す構造の放射検出器を作製した。ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ積層体において、ＣａxＣｏＯ2薄膜の表面に、真空蒸着法により、第１電極対および第２電極対となる、Ａｕからなる２組の電極対を形成した。各電極対における、それぞれの電極間の幅は６ｍｍにした。なお、実際の放射検出器において、電極幅は６ｍｍに限定されるわけではなく、用途や設置場所などに応じて、適宜最適化すればよい。
作製した放射検出器の表面に対して、赤外線ランプ（波長８００〜２０００ｎｍ）から発生させた電磁波を、スポット径が８ｍｍとなるように入射させた。具体的には、赤外線ランプから４８０ｍＷの電磁波を出力し、ＣａxＣｏＯ2薄膜表面の中心位置に入射させ、傾斜整列方向に生じる起電力Ｖ1と、傾斜整列方向に対して垂直方向に生じる起電力Ｖ2とを測定した。その測定結果を図９に示す。図９は、電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフである。赤外線ランプからの電磁波が、放射検出器に入射していない場合は、起電力Ｖ1およびＶ2は生じていない。そして、赤外線ランプをＯｎとして電磁波を入射すると、起電力Ｖ1は急激に増加し、定常的に約１４０μＶの値を示した。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。その後、赤外線ランプをＯＦＦとして電磁波を遮断すると、起電力Ｖ1は急激に減少し、ゼロに戻った。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。したがって、放射検出器において、起電力が生じる方向は、傾斜整列方向のみである。起電力の発生方向が、ＣｏＯ2面の傾斜整列方向に依存していることから、Ｖ1の起電力の発生が、異方熱電効果に由来することがわかる。
この放射検出器のＣａxＣｏＯ2薄膜層の表裏面に生じている温度差ΔＴzは、式（１）より、０．２ｍＫ程度と見積もられる。なお、式（１）における各値は、ΔＳ＝３５μＶ／Ｋ、ｄ＝１５０ｎｍ、ｌ＝６ｍｍ、α＝６０°、Ｖx＝１４０μＶである。したがって、傾斜整列方向の検出感度は６００ｍＶ／Ｋに達する。これは、従来のＹＢＣＯ傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の検出感度（１００ｍＶ／Ｋ）と比較すると、約６倍である。
（実施例２）
実施例２では、（０００１）面から約６１°傾斜した（１１−２３）面を表面にもつＡｌ2Ｏ3−ｎ面基板上に、実施例１と同様にして、Ｆｅ2Ｏ3薄膜およびＣａxＣｏＯ2薄膜を順次積層して３層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜をＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜と表記する。なお、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板の傾斜角度βは、６１°である。
また、実施例２では、（０００１）面から約７２°傾斜した（１０−１１）面を表面にもつＡｌ2Ｏ3−Ｓ面基板上に、実施例１と同様にして、Ｆｅ2Ｏ3薄膜およびＣａxＣｏＯ2薄膜を順次積層して３層構造の積層体も作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜をＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜と表記する。なお、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ面基板の傾斜角度βは、７２°である。
ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜について、ポールフィギュアＸＲＤ測定を行った結果を、図１０および図１１に示す。図１０に示すように、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜では、ＣｏＯ2面はＡｌ2Ｏ3基板の表面に対して約７５°傾斜していることがわかる。したがって、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜の傾斜角度αは約７５°である。また、図１１に示すように、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜では、ＣｏＯ2面はＡｌ2Ｏ3基板の表面に対して約８０°傾斜していることがわかる。したがって、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜の傾斜角度αは約８０°である。以上より、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対するＡｌ2Ｏ3基板の（０００１）面の傾斜角度βを制御することにより、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3積層体における、ＣａxＣｏＯ2薄膜のＣｏＯ2面の傾斜角度αを制御可能であることが確認できた。
実施例１と同様に、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜上、およびＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜上に、それぞれ２組のＡｕ電極対を作製して、図８に示す構造の放射検出器を作製した。そして、実施例１と同様に、これらの放射検出器についても、赤外線ランプからの電磁波を入射させて、傾斜整列方向の起電力Ｖ1および傾斜整列方向と垂直方向の起電力Ｖ2とを測定した。
実施例２のＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を用いた、それぞれの放射検出器は、実施例１の放射検出器と同様に、電磁波が入射していない場合には、起電力Ｖ1およびＶ2は生じていない。そして、赤外線ランプがＯｎになり、電磁波が入射されると、いずれの放射検出器においても、起電力Ｖ1が急激に増加し、定常的に約８０μＶの値を示した。一方、起電力Ｖ2は、いずれの放射検出器においても、顕著な増減を示さなかった。その後、赤外線ランプがＯＦＦになり、電磁波が遮断されると、いずれの放射検出器においても、起電力Ｖ1が急激に減少し、ゼロに戻った。一方、起電力Ｖ2は、いずれの放射検出器においても、顕著な増減を示さなかった。
図１２は、放射検出器において、ｓｉｎ２αと傾斜整列方向についての電圧との関係を示すグラフであって、縦軸は放射検出器における傾斜整列方向についての起電力であり、横軸はｓｉｎ２αである。図１２には、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｒ薄膜、ＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を、それぞれ用いた放射検出器による測定結果が示されている。図１２より、式（１）に示されたように、起電力がｓｉｎ２αに対してほぼ線形に変化することがわかる。また、式（１）に示されるように、傾斜角度αが４５°に近いほど、放射検出器の感度が高くなることも、図１２より確認できた。
本発明に係る放射検出器は、優れた放射検出特性を有しており、温度センサーや、レーザー光のパワーメーターなど、電磁波の放射を伴う各種対象物の検出に利用可能である。

Claims (6)

  1. Ａｌ2Ｏ3基板と、
    前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層されたＦｅ2Ｏ3薄膜と、
    前記Ｆｅ2Ｏ3薄膜上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、
    前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、
    前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備する、放射検出器。
  2. 前記ＣａxＣｏＯ2薄膜に入射する電磁波によって、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜内で生じる温度差に基づき、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する熱起電力を取り出し、前記熱起電力に基づき、前記電磁波を検出する、請求項１に記載の放射検出器。
  3. 前記ＣｏＯ2面が、前記第１電極と前記第２電極とが対向する方向に対して、傾斜角度αで傾斜していて、
    前記傾斜角度αは、１０°以上８０°以下である、請求項１に記載の放射検出器。
  4. 前記第１電極および前記第２電極が、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌからなる、請求項１に記載の放射検出器。
  5. 放射検出器を用いて電磁波を検出する放射検出方法であって、
    前記放射検出器が、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層されたＦｅ2Ｏ3薄膜と、前記Ｆｅ2Ｏ3薄膜上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、
    前記ＣａxＣｏＯ2薄膜に入射する電磁波によって、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜内で生じる温度差に基づき、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する熱起電力を取り出し、前記熱起電力に基づき、前記電磁波を検出する、放射検出方法。
  6. 前記ＣｏＯ2面が、前記第１電極と前記第２電極とが対向する方向に対して、傾斜角度αで傾斜していて、
    前記傾斜角度αは、１０°以上８０°以下である、請求項５に記載の放射検出方法。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8049154B2 (en) 2009-02-20 2011-11-01 Panasonic Corporation Radiation detector with AL2O3 substrate and radiation detection method
JP4794693B1 (ja) 2010-05-27 2011-10-19 パナソニック株式会社 熱電変換デバイス、並びに、放射検出器及びそれを用いた放射検出方法
CN104471360B (zh) * 2012-06-18 2016-04-20 松下知识产权经营株式会社 红外线检测装置
US9012848B2 (en) * 2012-10-02 2015-04-21 Coherent, Inc. Laser power and energy sensor utilizing anisotropic thermoelectric material
US9059346B2 (en) * 2012-10-02 2015-06-16 Coherent, Inc. Laser power and energy sensor utilizing anisotropic thermoelectric material
CN110993778A (zh) * 2019-12-13 2020-04-10 西南科技大学 一种基于薄膜横向热电效应的热流传感器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005083808A1 (ja) * 2004-03-01 2005-09-09 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 熱電変換デバイス、およびこれを用いた冷却方法および発電方法
JP2008028048A (ja) * 2006-07-19 2008-02-07 Japan Science & Technology Agency カルシウム・コバルト層状酸化物単結晶からなる熱電材料の製造方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4434904A1 (de) * 1994-09-29 1996-06-05 Max Planck Gesellschaft Thermoelektrische Strahlungsdetektoren auf der Basis perovskitartiger dotierter Schichten und Übergitter
CA2157237A1 (en) * 1995-08-30 1997-03-01 John W. Patchell Thermal emitted radiation detecting device
DE19605384C1 (de) * 1996-02-14 1997-02-13 Fortech Hts Gmbh Thermoelektrischer Sensor
JP2002076023A (ja) 2000-09-01 2002-03-15 Nec Corp 半導体装置
JP2003273469A (ja) 2002-03-15 2003-09-26 Nec Corp 窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法
WO2003085748A1 (fr) * 2002-04-09 2003-10-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Materiau de conversion thermo-electrique et procede permettant de preparer ce materiau
FR2861172B1 (fr) * 2003-10-15 2006-06-02 Ulis Detecteur bolometrique, dispositif de detection infrarouge mettant en oeuvre un tel detecteur bolometrique et procede de fabrication de ce detecteur
CN100461479C (zh) * 2004-03-01 2009-02-11 松下电器产业株式会社 热电转换装置、使用该装置的冷却方法以及发电方法
US8049154B2 (en) 2009-02-20 2011-11-01 Panasonic Corporation Radiation detector with AL2O3 substrate and radiation detection method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005083808A1 (ja) * 2004-03-01 2005-09-09 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 熱電変換デバイス、およびこれを用いた冷却方法および発電方法
JP2008028048A (ja) * 2006-07-19 2008-02-07 Japan Science & Technology Agency カルシウム・コバルト層状酸化物単結晶からなる熱電材料の製造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KANNO, T. ET AL.: "Anisotropic thermoelectric properties in layered cobaltite AxCoO2 (A=Sr and Ca) thin films", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 85, no. 5, JPN7010001565, 2 August 2004 (2004-08-02), pages 739 - 741, XP001225005, ISSN: 0001682839, DOI: 10.1063/1.1776310 *
SAKAI, A. ET AL.: "Preparation and Anisotropic Thermoelectric Properties in Misfit Cobaltite Thin Films", 2005 24TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON THERMOELECTRICS, JPN6010028670, 19 June 2005 (2005-06-19), pages 288 - 291, ISSN: 0001682840 *

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