層狀鈷氧化物薄膜光誘導橫向熱電效應研究.pdf

1、光誘導橫向熱電效應（簡稱LITT效應）是一種溫差和電壓方向相互垂直的熱電效應，通常只能在 c軸傾斜生長的薄膜、單晶及人工構建的多層結構中觀測得到。該效應源于材料各向異性的Seebeck系數，實質是一個光-熱-電轉換過程。自LITT效應發現20多年以來，幾乎所有相關報道都集中在樣品的幾何參數對該效應的影響上，而極少涉及材料電、熱輸運參量的調控和優化，這也在一定程度上制約了LITT效應的發展。
　　本文采用化學溶液沉積技術在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、熱參量調控機理及溫度場理論出發，研究了摻雜、氧空位和光吸收層等對薄膜LITT效應的影響。其目標是通過結構或微結構調控來優化薄膜材料的電、熱輸運參量及薄膜對光輻射的吸收，提高LITT效應中的光-熱和熱-電轉換效率，為研制新一代基于LITT效應設計的高靈敏寬波段光探測器提供指導。主要實驗結論如下：
　　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效應的影響。實驗發現當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。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。分析認為該電壓信號源于薄膜各向異性的Seebeck系數，即橫向熱電效應。
　　2.通過改變樣品后退火溫度及氣體氛圍來調控薄膜的微結構和氧含量，研究了薄膜微結構和氧含量對其LITT效

4、應的影響。實驗發現退火溫度高、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）而熱導率增大且Seebeck系數呈現更強的各向異性，因此LITT效應輸出電壓具有更大的靈敏度和更快的響應時間。在此基礎上，進一步研究了摻雜和雙層結構對薄膜LITT效應的影響。實驗發現Bi2Sr2Co2Oy摻入Pb和構建Bi2Sr2Co2Oy/Pb2Sr2Co2Oy多層膜均可以可以增大薄膜ab平面和c軸方向Seebeck系數的差值ΔS，導致LITT

5、效應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效應的影響。結果表明：a)所有光吸收層均可增強LITT過程中的光-熱轉換效率，使薄膜上下表面溫差增大，從而增大LITT效應輸出電壓的靈敏度。b)當光吸收層面積與入射光斑面積相等，厚度恰好實現完全光吸收時， LITT效應中光-熱轉換效率最高，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。在30-150K和20-250℃的溫度范圍內，電壓幅值隨測試溫度的升高而增大。我們認為：低溫區(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致的薄膜上下表面溫差減小均有關系；但高溫區(20-250℃)電壓幅值增大的物理機制有待于進一步探究。
　　除 LITT效應外，我們還研究了非斜切 Bi2Sr2Co2Oy薄膜