層狀鈷氧化物薄膜光誘導(dǎo)橫向熱電效應(yīng)研究.pdf

1、光誘導(dǎo)橫向熱電效應(yīng)（簡(jiǎn)稱(chēng)LITT效應(yīng)）是一種溫差和電壓方向相互垂直的熱電效應(yīng)，通常只能在 c軸傾斜生長(zhǎng)的薄膜、單晶及人工構(gòu)建的多層結(jié)構(gòu)中觀測(cè)得到。該效應(yīng)源于材料各向異性的Seebeck系數(shù)，實(shí)質(zhì)是一個(gè)光-熱-電轉(zhuǎn)換過(guò)程。自LITT效應(yīng)發(fā)現(xiàn)20多年以來(lái)，幾乎所有相關(guān)報(bào)道都集中在樣品的幾何參數(shù)對(duì)該效應(yīng)的影響上，而極少涉及材料電、熱輸運(yùn)參量的調(diào)控和優(yōu)化，這也在一定程度上制約了LITT效應(yīng)的發(fā)展。
　　本文采用化學(xué)溶液沉積技術(shù)在c軸傾斜的

2、LaAlO3(001)單晶基片上外延生長(zhǎng)了Bi2Sr2Co2Oy熱電薄膜，從電、熱參量調(diào)控機(jī)理及溫度場(chǎng)理論出發(fā)，研究了摻雜、氧空位和光吸收層等對(duì)薄膜LITT效應(yīng)的影響。其目標(biāo)是通過(guò)結(jié)構(gòu)或微結(jié)構(gòu)調(diào)控來(lái)優(yōu)化薄膜材料的電、熱輸運(yùn)參量及薄膜對(duì)光輻射的吸收，提高LITT效應(yīng)中的光-熱和熱-電轉(zhuǎn)換效率，為研制新一代基于LITT效應(yīng)設(shè)計(jì)的高靈敏寬波段光探測(cè)器提供指導(dǎo)。主要實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：
　　1.研究了基本實(shí)驗(yàn)參量如薄膜厚度、傾斜角度、激光入射方

3、向、波長(zhǎng)、能量等對(duì)Bi2Sr2Co2Oy薄膜LITT效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)用不同波長(zhǎng)激光對(duì)薄膜表面進(jìn)行加熱時(shí)均可以觀測(cè)到橫向開(kāi)路電壓信號(hào)且信號(hào)幅值與以上參量密切相關(guān)。進(jìn)一步用熱源（如電烙鐵）替代光源，仍可以觀測(cè)到開(kāi)路電信號(hào)且信號(hào)幅值隨熱源溫度升高而增大。分析認(rèn)為該電壓信號(hào)源于薄膜各向異性的Seebeck系數(shù)，即橫向熱電效應(yīng)。
　　2.通過(guò)改變樣品后退火溫度及氣體氛圍來(lái)調(diào)控薄膜的微結(jié)構(gòu)和氧含量，研究了薄膜微結(jié)構(gòu)和氧含量對(duì)其LITT效

4、應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)退火溫度高、氧含量大的樣品電阻率減?。ū∧る娮杪蕼p小可增大其上下表面溫差）而熱導(dǎo)率增大且Seebeck系數(shù)呈現(xiàn)更強(qiáng)的各向異性，因此LITT效應(yīng)輸出電壓具有更大的靈敏度和更快的響應(yīng)時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了摻雜和雙層結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜LITT效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Bi2Sr2Co2Oy摻入Pb和構(gòu)建Bi2Sr2Co2Oy/Pb2Sr2Co2Oy多層膜均可以可以增大薄膜ab平面和c軸方向Seebeck系數(shù)的差值ΔS，導(dǎo)致LITT

5、效應(yīng)輸出電壓靈敏度提高。
　　3.以石墨、碳納米管、納米銀顆粒等材料為光吸收層，研究了光吸收層類(lèi)型、幾何尺寸(面積、厚度)對(duì)薄膜LITT效應(yīng)的影響。結(jié)果表明：a)所有光吸收層均可增強(qiáng)LITT過(guò)程中的光-熱轉(zhuǎn)換效率，使薄膜上下表面溫差增大，從而增大LITT效應(yīng)輸出電壓的靈敏度。b)當(dāng)光吸收層面積與入射光斑面積相等，厚度恰好實(shí)現(xiàn)完全光吸收時(shí)， LITT效應(yīng)中光-熱轉(zhuǎn)換效率最高，獲得的輸出電壓最大。c)三種光吸收材料中，碳納米管光吸收層

6、的效果最佳。
　　4.研究了Bi2Sr2Co2Oy薄膜的變溫LITT效應(yīng)。在30-150K和20-250℃的溫度范圍內(nèi)，電壓幅值隨測(cè)試溫度的升高而增大。我們認(rèn)為：低溫區(qū)(150-30K)電壓幅值的減小與Bi2Sr2Co2Oy薄膜ΔS的減小及因電阻率的增大導(dǎo)致的薄膜上下表面溫差減小均有關(guān)系；但高溫區(qū)(20-250℃)電壓幅值增大的物理機(jī)制有待于進(jìn)一步探究。
　　除 LITT效應(yīng)外，我們還研究了非斜切 Bi2Sr2Co2Oy薄膜