钙钛矿型氧化物薄膜的激光感生热电电压效应及光探测器应用

论文摘要

基于各向异性的晶体结构和电输运特性,研究层状钙钛矿型氧化物YBa2Cu3O7-x （YBCO）、La2-xSrxCuO4（LSCO）和Nd2-xCexCuO4（NCCO）薄膜中的激光感生热电电压（LITV）效应及光探测应用。首次在倾斜生长的LSCO薄膜和NCCO薄膜中观察到横向的激光感生电压。根据电压信号对激光辐照能量、激光波长和薄膜载流子浓度的依赖关系,确认所测得的激光感生电压为LITV信号,LSCO薄膜和NCCO薄膜被证明是两类可实用的新型原子层热电堆材料。在YBCO薄膜中所测得的LITV信号随薄膜退火氧压的增大有2-4倍的增强,当退火氧压为105Pa时,能量为0.78mJ的紫外脉冲激光（脉冲宽度为28ns）在薄膜中诱导产生21.6V的LITV信号,这是迄今为止国内外所报道的灵敏度最高的LITV响应。YBCO薄膜中退火氧压的不同改变了薄膜的氧含量,LITV信号强烈地依赖于薄膜的氧含量表明材料的载流子浓度是影响LITV效应的重要因素。LITV效应的物理模型证实LITV信号产生于激光与薄膜相互作用的光热过程,基于理论模型推导出LITV信号的峰值、响应时间以及LITV型激光探测器件品质因子的表达式。结果表明：LITV信号的大小主要决定于薄膜材料热电势的各向异性和激光在薄膜中的穿透深度,信号的响应时间仅受薄膜热传导性能的影响。离子掺杂对LITV效应的影响反应层状钙钛矿型氧化物薄膜中各向异性的热电输运行为。在YBCO薄膜中LITV信号随退火氧压的变化规律与Seebeck系数的各向异性随氧含量的变化趋势相同,载流子强烈的二维局域特性对高灵敏的LITV信号起重要作用。同样的变化规律在LSCO薄膜中表现得更为明显,随Sr掺杂量的增加LSCO薄膜中的LITV信号先增大后减小,当Sr掺杂量x为0.15时LITV信号最大,这样的结果与LSCO在0.05≤x≤0.21的掺杂区域内二维的金属输运特性有关。实验在0.05≤x≤0.21的LSCO薄膜中观察到较大的LITV信号,在同样的掺杂范围内文献报道出现LSCO的超导相。在NCCO薄膜中Ce掺杂对LITV信号的影响表现为存在-个掺杂量的最优值使得薄膜中的LITV信号较大。窄带理论模型分析的结果表明,这样的变化趋势是c轴晶向上声子的散射作用和Cu02面内的局域势随载流子浓度变化共同作用的结果。三种薄膜材料中LITV信号的行为规律表现出共性特征,被推断为与晶体结构的相似性（晶格常数近似满足3a=3b=c）有关。实验观察到掺杂浓度增加和辐照激光波长变短对LITV信号有增强作用,这是LITV信号的峰值受离子掺杂影响的另一特征,是由于激光在薄膜中的穿透深度减小所致。LITV信号的衰减时间随掺杂量增大而减小是不同薄膜中LITV信号的又一共同特点,而LITV信号的上升时间随掺杂量的增大趋近于激光的脉冲宽度,意味着高掺杂的薄膜可以应用于飞秒激光的快响应探测。具有LITV效应且倾斜生长的薄膜被定义为原子层热电堆材料。具有高灵敏LITV响应的原子层热电堆材料,要求生长具有特定外延取向的单相薄膜。采用脉冲激光沉积（PLD）技术,在LaAlO3（100）衬底上生长YBCO和LSCO薄膜的实验研究表明,薄膜外延取向的控制是一个热力学过程,沿不同晶向沉积形核的自由能变化是影响薄膜外延取向的主要因素。由于依赖电子输运的特点,NCCO薄膜不同于空穴掺杂的YBCO和LSCO薄膜,被称为n型原子层热电堆材料。杂相的产生和消除是PLD法生长NCCO薄膜的关键问题。实验研究表明,在SrTiO3（100）衬底上生长NCCO薄膜的PLD过程中,低沉积温度、高沉积氧压和较大的激光脉冲重复频率导致NCO杂相的产生,是由于衬底表面吸附粒子扩散迁移困难所致；高温下真空退火导致杂相的出现,则与NCCO的结构相变所引起的热分解有关。高质量的YBCO、LSCO和NCCO的外延薄膜可以用作激光探测器件的光敏元件,制成高灵敏、快响应的激光功率／能量计。根据LITV信号的峰值与辐照激光能量（或者功率）的线性关系,设计制作的YBCO薄膜探测器具有较高的品质因子,在5000Pa的退火氧压下生长的薄膜其品质因子高达0.680V/mJ.ns。与之不同,LSCO和NCCO薄膜中LITV信号的衰减时间大,LITV信号的时间积累效应明显。依据LITV信号的时间积分强度和辐照激光能量（或者功率）的线性关系,LSCO和NCCO薄膜被设计成LITV效应的时间积分型激光功率／能量计,这种探测器相对于基于峰值信号与激光能量线性关系的探测器,灵敏度有3-4个数量级的增强,同样可以满足高灵敏、快响应的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 1.1 钙钛矿型氧化物薄膜的概述
• 1.2 钙钛矿型氧化物薄膜的激光感生热电电压（LITV）效应
• 1.2.1 LITV效应的理论研究现状
• 1.2.2 LITV效应的应用研究
• 1.3 LITV效应的热电理论概述
• 1.4 论文课题的提出、研究的目的及意义
• 第二章 LITV效应的理论计算与激光功率/能量计
• 2.1 引言
• 2.2 LITV信号的产生与表征参数
• 2.3 LITV效应的理论基础
• 2.3.1 各向异性晶体中的Seebeck效应
• 2.3.2 倾斜薄膜的"非对角"热电势
• 2.4 LITV效应的物理模型和LITV的公式推导
• 2.4.1 稳态的非均匀温度梯度场的LITV效应模型
• 2.4.2 动态的非均匀温度梯度场的LITV效应模型
• 2.5 LITV信号的衰减时间常数模型
• 2.5.1 模型的建立和推导
• 2.5.2 LITV信号的衰减时间和热扩散系数
• 2.6 LITV效应的综合物理模型
• 2.7 基于LITV效应的激光功率/能量计
• 2.8 本章小结
• 第三章 LITV效应的实验研究方法
• 3.1 LITV效应的实验研究工艺
• 3.2 脉冲激光沉积（PLD）薄膜
• 3.2.1 PLD薄膜沉积系统
• 3.2.2 PLD法的薄膜生长过程
• 3.2.3 PLD法的薄膜生长工艺及过程控制
• 3.3 LITV信号的测量工艺与信号探测系统
• 3.3.1 激光光源
• 3.3.2 LITV信号探头
• 3.3.3 LITV信号的探测系统
• 3.4 本章小结
• 2Cu₃O_7-x（YBCO）薄膜中的LITV效应研究'>第四章 YBa₂Cu₃O_7-x（YBCO）薄膜中的LITV效应研究
• 4.1 引言
• 4.2 样品制备与LITV信号测量
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 YBCO多晶靶材与结构分析
• 4.3.2 YBCO薄膜的生长取向研究
• 4.3.3 低温退火氧压对LITV信号峰值的影响
• 4.3.4 低温退火氧压对LITV信号响应时间的影响
• 4.4 YBCO薄膜激光功率/能量计
• 4.5 本章小结
• 2-xSr_xCuO₄（LSCO）薄膜中的LITV效应研究'>第五章 La_2-xSr_xCuO₄（LSCO）薄膜中的LITV效应研究
• 5.1 引言
• 5.2 样品制备与LITV信号测量
• 5.2.1 LSCO多晶的合成
• 5.2.2 LSCO薄膜的生长
• 5.2.3 LSCO薄膜中的LITV信号测量
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 Sr掺杂对LSCO薄膜结构的影响
• 5.3.2 LSCO薄膜中Sr掺杂对LITV效应的影响
• 5.4 LSCO薄膜激光功率/能量计
• 5.5 本章小结
• 2-xCe_xCuO₄（NCCO）薄膜中的LITV效应研究'>第六章 Nd_2-xCe_xCuO₄（NCCO）薄膜中的LITV效应研究
• 6.1 引言
• 6.2 NCCO多晶靶材的制备与结构分析
• 6.3 NCCO薄膜的生长
• 6.3.1 NCCO薄膜生长的关键问题
• 6.3.2 NCCO薄膜生长过程中杂相的产生与消除
• 6.3.3 Ce掺杂量不同的NCCO薄膜
• 6.4 NCCO薄膜中的LITV效应
• 6.4.1 NCCO薄膜中的LITV信号测量
• 6.4.2 LITV信号的测量结果与讨论
• 6.5 NCCO薄膜激光功率/能量计
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文的主要研究工作与重要结论
• 7.2 论文工作的主要创新点
• 7.3 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 部分理论模型公式的数学推导
• 附录B 攻读博士学位期间发表的论文