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)（簡稱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軸傾斜生長的薄膜、單晶及人工構(gòu)建的多層結(jié)構(gòu)中觀測得到。該效應(yīng)源于材料各向異性的Seebeck系數(shù)，實質(zhì)是一個光-熱-電轉(zhuǎn)換過程。自LITT效應(yīng)發(fā)現(xiàn)20多年以來，幾乎所有相關(guān)報道都集中在樣品的幾何參數(shù)對該效應(yīng)的影響上，而極少涉及材料電、熱輸運參量的調(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了Bi2Sr2Co2Oy熱電薄膜，從電、熱參量調(diào)控機理及溫度場理論出發(fā)，研究了摻雜、氧空位和光吸收層等對薄膜LITT效應(yīng)的影響。其目標(biāo)是通過結(jié)構(gòu)或微結(jié)構(gòu)調(diào)控來優(yōu)化薄膜材料的電、熱輸運參量及薄膜對光輻射的吸收，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)計的高靈敏寬波段光探測器提供指導(dǎo)。主要實驗結(jié)論如下：
　　1.研究了基本實驗參量如薄膜厚度、傾斜角度、激光入射方

3、向、波長、能量等對Bi2Sr2Co2Oy薄膜LITT效應(yīng)的影響。實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)用不同波長激光對薄膜表面進行加熱時均可以觀測到橫向開路電壓信號且信號幅值與以上參量密切相關(guān)。進一步用熱源（如電烙鐵）替代光源，仍可以觀測到開路電信號且信號幅值隨熱源溫度升高而增大。分析認(rèn)為該電壓信號源于薄膜各向異性的Seebeck系數(shù)，即橫向熱電效應(yīng)。
　　2.通過改變樣品后退火溫度及氣體氛圍來調(diào)控薄膜的微結(jié)構(gòu)和氧含量，研究了薄膜微結(jié)構(gòu)和氧含量對其LITT效

4、應(yīng)的影響。實驗發(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)時間。在此基礎(chǔ)上，進一步研究了摻雜和雙層結(jié)構(gòu)對薄膜LITT效應(yīng)的影響。實驗發(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，研究了光吸收層類型、幾何尺寸(面積、厚度)對薄膜LITT效應(yīng)的影響。結(jié)果表明：a)所有光吸收層均可增強LITT過程中的光-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，厚度恰好實現(xiàn)完全光吸收時， 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制有待于進一步探究。
　　除 LITT效應(yīng)外，我們還研究了非斜切 Bi2Sr2Co2Oy薄膜