薄膜激光感生热电电压效应及其应用

激光感生热电电压是基于各向异性赛贝克效应的一种热电势效应,本文综述了薄膜激光感生热电电压效应的机理及其在激光能量测定,热辐射探测等方面的应用,研究表明该效应由于其潜在的应用价值将在光电子器件领域得到广泛应用。

脉冲激光沉积生长单相的Nd_(1.85)Ce_(0.15)CuO_4薄膜及其激光感生热电电压效应

采用脉冲激光沉积(PLD)技术,在SrTiO3单晶衬底表面外延生长单相的Nd1.85Ce0.15CuO4(NCCO)薄膜,并首次在斜切衬底上生长的NCCO薄膜中探测到激光感生热电电压(LITV)信号。实验研究表明,在低沉积温度、高沉积氧压和较大的激光脉冲重复频率下生长的NCCO薄膜中存在Nd1-xCexO1.75(NCO)杂相,是由于衬底表面吸附粒子扩散迁移困难所致;而高温下真空退火导致杂相的产生,则与NCCO的结构相变引起的热分解有关。通过提高沉积温度、降低沉积氧压和激光脉冲重复频率、并采用低温(T≤800℃)真空退火的方式,可以抑制杂相的形成。制备得到的单相的NCCO外延薄膜是一种新型的原子层热电堆材料,能量为1mJ的紫外脉冲激光的辐照,可以在倾斜的NCCO薄膜中诱导产生0.8V的LITV信号。

Ag掺杂的La_(0.67)Pb_(0.33)MnO_3薄膜中激光感生热电电压效应

采用脉冲激光沉积法在倾斜LaAlO3衬底上制备了Ag掺杂的La0.67Pb0.33MnO3(LPMO)系列薄膜,发现该类薄膜中有激光感生热电电压(LITV)效应.随着掺Ag量x(x为Ag的质量与LPMO的质量之比)从0.00增加到0.10,LPMO薄膜中的LITV信号的响应时间先递减后递增,但始终小于未掺Ag的薄膜,掺Ag量x=0.06时响应时间最小.研究发现LPMO薄膜存在一个最佳厚度,在这一厚度下可使得LITV信号的峰值电压、响应时间分别达到最大和最小.与相同掺Ag量的La0.67Ca0.33MnO3薄膜相比,LPMO薄膜中的LITV信号有更小的响应时间.

利用激光感生热电电压效应测量薄膜的各向异性泽贝克系数

利用激光对半无限大物限加热的一维热传导模型,分析La0.67 Ca0.33 MnO3 (LCMO)薄膜在KrF准分子激光照射下的温度变化。在纳秒级激光单次脉冲照射下,薄膜表面温度与照射时间的平方根成正比。并通过拟合La0.67 Ca0.33 MnO3薄膜在此激光照射下的感生电压响应信号,得到薄膜的时间常数为1.39μs。利用薄薄厚度与时间常数的关系,计算出薄膜的热扩散系数及热穿透深度,分别为4.5×108m2/s和71nm。根据测量到的脉冲响应信号的时间常数,将激光感生电压公式中薄膜厚度与热扩散系数参量简化,得到一种求符向异性泽贝克(seeback)系数的方法,计算出出La0.67 Ca0.33 MnO3的各向异性泽贝克系数为2.80μV/K。

退火氧压对YBa2Cu3O7-x薄膜中的激光感生热电电压效应的影响

测量了在不同氧压下退火生长的YBa2Cu3O7-x(YBCO)薄膜中的激光感生热电电压(LITV)信号,发现随退火氧压的增大可使LITV信号的峰值有2—4倍的增强,并且变化趋势与薄膜热电势的各向异性随氧含量的变化规律相同.波长在473—808nm范围内的连续激光辐照,在5000Pa的氧压下退火生长的YBCO薄膜中探测到的LITV信号最大;而紫外脉冲激光辐照时,LITV信号的最大值出现在退火氧压为105Pa的薄膜中.LITV信号的光响应时间随退火氧压的增大而减小,理论分析表明,这一结果是由于退火氧压的提高导致薄膜材料的热扩散系数增大所致.在退火氧压为5000Pa的YBCO薄膜中探测到响应最快的LITV信号,对紫外脉冲激光的响应时间为78ns,并且信号的上升时间只有29ns,与激光的脉冲宽度(约为28ns)相当.

[(SrTiO_3)_n/(SrTi_(0.8)Nb_(0.2)O_3)_m]_(20)/LaAlO_3超晶格的制备及其激光感生热电电压效应

采用脉冲激光沉积(PLD)镀膜技术在倾斜10°的LaAlO3(100)单晶衬底上制备了(SrTiO3)n/(SrTi0.8Nb0.2O3)m系列超晶格.在超晶格薄膜的XRD图谱中清楚地观察到周期调制的卫星峰结构.从卫星峰的分布计算了超周期,进而得到了在生长SrTiO3和SrTi0.8Nb0.2O3时的沉积速率,分别为0.78/pulse和0.57/pulse.在超晶格薄膜中发现了激光感生热电电压(LITV)效应,说明这种人造原子层热电堆结构具有Seebeck系数各向异性.研究发现,在SrTiO3介电层厚度n=46.8nm,SrTi0.8Nb0.2O3导电层厚度m=19.0nm时LITV信号的平均峰值电压最大—UP=0.7V/mJ.mm,n=46.8nm,m=11.4nm时LITV信号的平均响应时间最小τ—=124ns.

氧压对SrTiO_3和SrNb_(0.2)Ti_(0.8)O_3薄膜晶格参数的影响及激光感生热电电压效应

采用脉冲激光沉积技术制备了SrTiO3和SrNb0.2Ti0.8O3薄膜.X射线衍射分析表明在LaAlO3(100)单晶平衬底上生长的SrTiO3及SrNb0.2Ti0.8O3薄膜是沿[001]取向的近外延生长.随着氧压在一定范围内逐渐增大,SrTiO3薄膜的晶格参数减小,而SrNb0.2Ti0.8O3薄膜的晶格参数先减小后增大.同时摸索出制备具有二维电子气超晶格(SrTiO3/SrNb0.2Ti0.8O3)L的最佳氧压为1.0×10-2Pa.另外在LaAlO3(100)倾斜衬底上制备的SrNb0.2Ti0.8O3薄膜中观察到激光感生热电电压效应.

Sr_2FeMoO_6薄膜激光感生热电势效应的研究

采用脉冲激光沉积法在倾斜SrTO_3(100)衬底上制备出高质量的Sr2FeMoO_6薄膜,观察到薄膜在可见、红外波段的脉冲激光照射下具有很大的激光感生热电势效应(LITV)。研究表明,用1064 nm和532 nm波长的脉冲激光从薄膜表面垂直照射时,薄膜表面产生的最大峰值电压分别为0.9 V和0.8 V,并且LITV信号与激光能量成良好的线性关系,可用以制造高灵敏度的激光功率计/能量计。当激光从SrTO_3衬底方向照射时,LITV极性发生变化。上述现象用各项异性Seebeck效应给予了解释。

激光感生热电电压信号的衰减时间研究

为了研究激光感生热电电压(laser-induced thermoelectric voltage,LITV)信号的衰减时间与薄膜物性参量的定量关系,采用脉冲激光沉积法制备了 YBa_2Cu_3O_(7-x),La(0.67)Ca_(0.33)MnO_3,La_(0.67)Pb_(0.33)MnO_3薄膜,测量了248nm 的脉冲激光辐照在薄膜中诱导产生的 LITV 信号,并且基于激光与薄膜相互作用的光热过程推导出的 LITV 信号衰减时间常数的表达式。结果表明,LITV 信号呈指数衰减,变化规律与 LITV 效应的理论模型相吻合;LITV 信号的衰减时间仅决定于薄膜的热传导性能,是薄膜热扩散系数的函数;根据 LITV 信号的衰减时间可以计算薄膜的热扩散系数,从而提出通过测量LITV 信号的衰减时间来研究薄膜热扩散系数的新方法。

一种激光感生热电效应的温度测量器

温度是衡量人体健康状况的主要指标,传统温度测量仪器在测量精度上很难得到保证,提出激光感生热电效应的温度测量器。在分析激光感生热电电压效应原理的基础上,设计了体温测量仪器的系统构造,温度测量器的硬件部分由激光薄膜测温传感器、ADC转换器、单片机控制器、电源模块及显示模块构成;给出了系统程序的总体架构,并重点介绍了ADC接口转换程序和人体温度智能标定程序。实验结果表明,该测量器设计检测效率高、性能稳定、获取的温度测量值最接近真实水平。

YBa_2Cu_3O_(7-x)多晶块材中激光感生电压效应的实验探究

采用固相反应法制备了高温超导YBa2Cu3O7-x多晶块材,并对YBa2Cu3O7-x多晶块材中的激光感生电压(LIV)效应进行了探究。首次在斜切角α(α～20°)的YBa2Cu3O7-x多晶块材中测量到了LIV信号,且在能量密度为47 mJ/cm2的紫外脉冲激光照射下,峰值电压为26.7 mV,上升沿为30 ns,半高宽为56 ns;信号峰值与斜切角α密切相关,并且与入射激光能量几乎呈线性增大。YBa2Cu3O7-x多晶块材中的LIV信号起源于热电各向异性,同时,对YBa2Cu3O7-x多晶块材和薄膜中的LIV信号做了对比研究,发现了多晶中的信号比薄膜中的小。

巨磁阻薄膜激光感生电压的温度稳定性研究

为了研究温度对激光感生热电电压的影响,采用脉冲激光沉积方法制备了La1-XCaXMnO(LCMO),La1-XPbXMnO(LPMO)和La1-XSrXCoO(LSCO)3种薄膜。用锁相斩波系统测量了激光感生热电电压依环境温度的变化并定义了温度系数,进行了理论分析和实验论证,取得了温度系数数据。结果表明,LSCO的温度系数最小并为正温度系数,LC-MO温度系数最大是负温度系数,LPMO温度系数为正。这一结果对激光感生电压器件的稳定性是有帮助的。

GaAs多量子阱超晶格表面激光光伏效应

由于MOCVD、MBE等半导体材料生长技术飞跃发展,半导体多量子阱和超晶格的制备、研究和应用越来越引起广泛重视。GaAs多量子阱超晶格是较为成熟的一种结构。本文初次报道GaAs多量子阱超晶格表面激光辐照感生的光伏效应研究结果。实验样品是在〈001〉晶向半绝缘GaAs衬底上,MBE生长1.5μm n^+-GaAs缓冲层后,交替地周期生长两种阱宽和垒宽,不同周期数的掺硅GaAs层,构成GaAs多量子阱超晶格结构。

脉冲激光沉积法制备Bi_2Sr_2Co_2O_δ热电薄膜及其激光感生的热电电压效应

采用脉冲激光沉积(PLD)法在倾斜Al_2O_3(0001)衬底上制备了Bi_2Sr_2Co_2O_δ(BSCO)系列热电薄膜,发现该类薄膜中有激光感生热电电压(LITV)效应。X射线衍射(XRD)谱显示Bi_2Sr_2Co_2O_δ热电薄膜沿c轴外延生长。采用标准四探针法测试了Bi_2Sr_2Co_2O_δ热电薄膜的电阻随温度的关系。结果表明所制备的Bi_2Sr_2Co_2O_δ热电薄膜在80～360 K范围内呈半导体导电特性。研究发现,在倾斜角度分别为10°和15°的倾斜衬底上制备的Bi_2Sr_2Co_2O_δ热电薄膜都存在一个最佳厚度,在这一厚度下可使激光感生热电电压(LITV)信号的峰值电压达到最大,分别为0.4442 V和0.7768 V。可以认为该激光感生热电电压信号是由Bi_2Sr_2Co_2O_δ薄膜面内和面间塞贝克系数张量的各向异性引起的。

c轴择优Ca_3Co_4O_9多晶的热电性质及激光感生横向电压效应

采用传统固相反应法制备c轴择优的错层结构Ca3Co4O9多晶材料,用热重-差示扫描量热分析、X射线衍射、扫描电子显微镜和电阻率–温度曲线、热电势–温度曲线对样品进行了表征,探究了材料热电输运性质和激光感生横向电压(laser induced transverse voltage,LITV)效应。结果表明:在800和870℃分别保温24 h条件下可获得纯相层片状Ca3Co4O9多晶,其(00l)取向因子达0.74。Ca3Co4O9多晶材料在80~300 K、336~826 K分别为金属和半导体电输运行为。336 K时Seebeck系数约130μV/K。由于声子曳引热电势的贡献,随温度升高,热电势增大。以波长为248 nm、脉宽为28 ns、能量密度为17 m J/cm2的脉冲激光照射多晶构造斜面,获得了42 m V的LITV响应,比倾斜外延Ca3Co4O9薄膜中的LITV信号小约2个数量级。由于存在偏离(00l)取向的晶粒和大量晶界,导致本征热电各向异性相互抵消,大大减小了LITV响应。

热电Ca3Co4O9薄膜的一致取向生长及其激光感生电压效应

利用脉冲激光沉积(PLD)法,在蓝宝石(0001)平衬底上成功制备了c轴一致取向的Ca3Co4O9薄膜。利用X射线衍射(XRD)分析测定了薄膜的相结构和生长取向。研究了不同衬底温度与不同原位氧压对Ca3Co4O9薄膜结晶质量与生长取向的影响,确定了最佳生长条件。利用这一条件在倾斜Al2O3(0001)衬底上制备了Ca3Co4O9薄膜。研究发现,当Ca3Co4O9薄膜被波长248nm,脉冲宽度20ns的脉冲激光照射时,在薄膜两端存在较大的激光感生热电电压(LITV)信号,峰值电压达到4.4V,其上升沿为36ns,半峰全宽(FWHM)为131ns。可以认为这种激光感生热电电压信号是由于Ca3Co4O9薄膜面内与面间泽贝克(Seebeck)系数张量的各向异性引起的。

原子层热电堆材料的激光感生热电电压

测量了La1-xSrxMnO3（LSMO）,La1-xPbxMnO3（LPMO）和La1-xSrxCoO3（LSCO）三种薄膜在不同激光波长下的激光感生热电电压（LITV）.利用脉冲激光沉积（PLD）,在LaAlO3倾斜衬底上制备了钙钛矿结构的三种薄膜,并用电脑采集系统和锁相斩波系统对激光感生热电电压信号进行测量。发现不同波长下信号的灵敏度和响应时间各不相同,激光波长为532nm和632.8nm时LSMO灵敏度最大而LSCO最小,但响应时间恰好相反。波长为808nm时LPMO灵敏度最好。

PZT薄膜制备及激光感生热电电压研究

采用脉冲激光沉积(PLD)技术,在SrTiO3(STO)单晶衬底上成功地制备了不同组分x(x=0.03,0.30,0.53,0.80,0.97)和掺杂M(原子数分数为3%,M=Na,Sr,Bi,Ce)的锆钛酸铅Pb ZrxTi1-x,PZT铁电薄膜。检测结果表明,所有薄膜都是单一取向生长的,且没有杂相存在,但组分的改变和掺杂元素的引入会对薄膜的结晶质量产生不同程度的影响。另外,在10°倾斜的SrTiO3单晶衬底上生长的PZT铁电薄膜中还清楚地观察到了激光感生热电电压(LITV)信号,且在能量密度为0.16 J/cm2的紫外脉冲激光辐照下,x=0.03组分的PZT铁电薄膜中的LITV信号最大,峰值电压为60 mV,而在Pb(Zr0.53Ti0.47)O3铁电薄膜中,掺杂元素Na时LITV信号最大,峰值电压为61 mV,这与不掺杂时相比,其峰值电压增大了近50%。

(Bi,Pb)_2Sr_2CaCu_2O_8薄膜的激光感生电压效应

采用紫外脉冲激光沉积技术和高低温沉积工艺,在LaAlO3(100)平衬底及倾斜衬底上成功制备了c轴取向的(Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8[(Bi,Pb)-2212]薄膜;研究了在倾斜LaAlO3(100)单晶衬底上生长的(Bi,Pb)-2212薄膜激光感生热电电压信号与沉积条件及入射激光能量的关系。为避免(Bi,Pb)-2212薄膜被激光剥蚀或蒸发,还初步研究了MgO保护层对(Bi,Pb)-2212薄膜激光感生电压信号的作用,结果表明MgO层能够显著增强激光感生热电电压效应。

新型热电材料及其新应用(英文)

热电材料 ,由于在清洁能源、光电子探测等诸多方面有巨大的应用前景 ,因而受到科学上和技术上的广泛关注 .最新的理论进展和若干新材料的发现 ,为人们提供了新的应用机会 .一类新材料就是基于强关联电子系统 ,典型例子是过渡族金属氧化物 ,这类材料以前从热电材料的角度并未受到重视 .我们将讨论几点最近的进展 ,着重讨论生长在倾斜切割衬底上薄膜的新的应用 .这种情况下热电电压的产生是基于各向异性的塞贝克效应 .当光辐射照射到薄膜表面时 ,薄膜上下表面的温差引起横向的电势差 ,从而可用于光、热辐射的探测 .我们论证 :这类探测器有很具特色的优点 ,宽的光谱响应 ,快的时间响应 ,同时不须施加偏压或偏流 ,因而十分节能 .