一種基于摻雜鉍銅硒氧薄膜的光、熱探測器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種薄膜光、熱探測器，具體地說是一種基于摻雜鉍銅硒氧薄膜的光、 熱探測器。
【背景技術】
[0002] 橫向熱電效應是一種溫差和電壓方向相互垂直的熱電效應，本質是一個光-熱-電 轉換過程。它可以簡單地表述為：當一束光輻照到c軸傾斜生長的薄膜表面時，會立即在其 厚度方向建立起一溫度梯度VzT，由于薄膜塞貝克系數的各向異性，會導致薄膜表面兩端 產生一個與溫差相垂直的開路電壓信號，電壓幅值可用以下公式來表不：
[0003]
[0004]上述公式中，α為薄膜c軸傾斜角度，〇°〈a〈45° ; AS為薄膜ab面與c軸方向的塞貝克 系數的差值；為光照在薄膜z軸方向形成的溫度梯度。近年來，橫向熱電型光(熱)探測 器在科技領域備受關注。無噪聲、無需外加偏壓和制冷部件、可實現全波段光探測和各種熱 探測是該類型光(熱)探測器的優勢。
[0005] 現有專利CN 104900670 A公開了 "一種基于鉍銅硒氧(BiCuSeO)熱電薄膜橫向熱 電效應的光探測器"，該探測器利用c軸傾斜生長的BiCuSeO薄膜的橫向熱電效應，使得探測 器不需要制冷，響應波段寬，探測靈敏度高，且能同時實現光和熱的探測。但是，在308nm的 脈沖光照射下，該探測器的輸出電壓信號幅值最大也不超過6V，導致探測器的靈敏度仍然 比較低。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的就是提供一種基于摻雜鉍銅硒氧薄膜的光、熱探測器，該探測器與 基于本征鉍銅硒氧薄膜的光、熱探測器相比，可大幅度提高探測器的靈敏度。
[0007] 本發明的目的是這樣實現的：一種基于摻雜鉍銅硒氧薄膜的光、熱探測器，包括橫 向熱電元件，在所述橫向熱電元件的上表面設置有兩個對稱的金屬電極作為電壓信號的輸 出端，所述金屬電極通過電極引線將橫向熱電元件的電壓信號輸出端與電壓表輸入端相連 接;所述橫向熱電元件包括c軸傾斜的氧化物單晶基片及生長在所述氧化物單晶基片上c軸 傾斜的摻雜鉍銅硒氧薄膜，所述金屬電極設置在所述摻雜鉍銅硒氧薄膜的上表面;所述摻 雜鉍銅硒氧薄膜的化學式為Bh- xMxCuSeO,其中，Μ為Pb、Ba、Sr、CaSMg，0<x<0.2。
[0008] 所述摻雜鉍銅硒氧薄膜的厚度為50nm~500nm。
[0009] 所述氧化物單晶基片為鋁酸鑭單晶或鈦酸鍶單晶。
[0010] 所述氧化物單晶基片的c軸傾斜方向與所述摻雜鉍銅硒氧薄膜的c軸傾斜方向一 致。
[0011] 所述摻雜鉍銅硒氧薄膜的c軸傾斜角度α為〇° <α<45°。
[0012] 所述摻雜鉍銅硒氧薄膜是利用激光分子束外延或脈沖激光沉積工藝在工作腔內 濺射Bii-xMxCuSeO多晶陶瓷靶而形成。
[0013] 所述Bh-xMxCuSeO多晶陶瓷靶的制備步驟包括:按化學式Bii-xM xCuSeO的原子摩爾 計量比稱取扮2〇3、81、〇!、36及元素1的氧化物或單質；將所稱取的物質混合并球磨，壓制成 厚度為2mm~5mm、直徑為20mm~40mm的圓片；利用真空封管技術將所制圓片封入石英玻璃 管中，再采用固相燒結工藝進行燒結，即可得到BihMxCuSeO多晶陶瓷靶。
[0014]所述摻雜鉍銅硒氧薄膜的制備工藝條件為:工作腔內的壓強為l(T4Pa~l(T8Pa，工 作腔內充入保護氣氬氣的壓強為O.lPa~IPa，氧化物單晶基片與Bh-xMxCuSeO多晶陶瓷靶 間距離為5 · 5cm~7cm，激光頻率為3Hz~5Hz，沉積溫度為300°C~400°C〇
[0015] 兩個所述金屬電極之間的間距為3mm~30mm，金屬電極的材料為Pt、Au、Ag、Al或 In〇
[0016] 所述電極引線為直徑為0.05mm~0.1mm的Au、Ag或Cu導線。
[0017] 本發明所提供的基于摻雜鉍銅硒氧薄膜的橫向熱電型光、熱探測器，通過對鉍銅 錫氧薄膜進行鉛、鋇等摻雜以優化其載流子濃度及光吸收率，可以大幅提升探測靈敏度并 縮短響應時間。對于由摻雜鉛、鋇的鉍銅硒氧薄膜(BioiPbo.osCuSeCKBioiBao.osCuSeO)形 成的探測器，在308nm脈沖激光的輻照下，探測器的橫向熱電壓幅值可以分別達到18.9V和 38V，探測靈敏度分別是基于本征鉍銅硒氧薄膜探測器的2.7倍和5.5倍；響應時間也僅為 70ns和160ns;而且，與基于鉍鍶鈷氧、釔鋇銅氧、鑭鈣錳氧薄膜等材料構成的探測器相比， 探測靈敏度也有大幅度提高。因此，本發明中摻雜鉍銅硒氧薄膜在高靈敏、快響應的光、熱 探測領域具有很好的應用前景。
[0018] 本發明所提供的基于摻雜鉍銅硒氧薄膜的橫向熱電型光、熱探測器，除了具有高 靈敏、快響應的優點外，還具有成本低廉、制備工藝簡單等的優點。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明中基于摻雜鉍銅硒氧薄膜的光、熱探測器的結構示意圖。圖中：1、光 源或熱源，2、摻雜鉍銅硒氧薄膜，3、氧化物單晶基片，4、電極引線，5、金屬電極，6、電壓表。
[0020] 圖2是實施例1、實施例2、實施例3和對比例1中，在308nm脈沖激光輻照下，基于鉛 摻雜鉍銅硒氧薄膜(Bh-xPb xCuSe0，x = 0.04,0.08，0.12，0)的探測器的輸出電壓-時間響應 曲線示意圖。
[0021] 圖3是實施例4在5 3 2 n m脈沖激光輻照下，基于鉛摻雜鉍銅硒氧薄膜 BioiPbo.osCuSeO的探測器的輸出電壓-時間響應曲線示意圖。
[0022]圖4是實施例5和實施例6中，在308nm脈沖激光輻照下，基于鋇摻雜鉍銅硒氧薄膜 (Bi^BaxCuSeO，x = 0.05,0.1)的探測器的輸出電壓-時間響應曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示，本發明所提供的基于摻雜鉍銅硒氧薄膜的光、熱探測器包括橫向熱電 元件，橫向熱電元件由c軸傾斜的氧化物單晶基片3及生長在氧化物單晶基片3上的c軸傾斜 的摻雜鉍銅硒氧薄膜2構成，氧化物單晶基片3的c軸傾斜方向與摻雜鉍銅硒氧薄膜2的c軸 傾斜方向一致，兩者的c軸傾斜角度α可以為0° <α<45°。氧化物單晶基片3可以為鋁酸鑭 (LaA103)單晶或鈦酸鍶(SrTi0 3)單晶。摻雜鉍銅硒氧薄膜2的厚度可以在50nm~500nm之間。
[0024] 在摻雜祕銅硒氧薄膜2的上表面上設置有兩個對稱分布的金屬電極5，金屬電極5 可由熱蒸發、磁控濺射或脈沖激光沉積技術制備。兩個金屬電極5的位置相對于摻雜鉍銅硒 氧薄膜2的中心線要嚴格左右對稱，兩個金屬電極5的間距可以在3mm~30mm之間。金屬電極 5的材料可以選用金屬Pt、Au、Ag、Al或In等。兩個金屬電極5用于作為橫向熱電元件的電壓 信號的輸出端，兩個金屬電極5通過電極引線4與電壓表6 (或別的電壓信號測試設備）的輸 入端相接;在光源或熱源1的照射下，會在摻雜鉍銅硒氧薄膜2的上表面兩端產生一個開路 電壓信號，通過電壓表6可對橫向熱電元件上表面的橫向電壓進行測量。電極引線4可以選 用Au、Ag或Cu等的細導線，細導線的直徑可以為0.05mm~0.1mm。
[0025] 摻雜鉍銅硒氧薄膜2的化學通式為Bh-xMxCuSeO,其中，Μ為 <χ<0.2。摻雜鉍銅硒氧薄膜2可以利用激光分子束外延或脈沖激光沉積技術濺射Bh-xMxCuS e〇多晶陶瓷靶而形成。摻雜鉍銅硒氧薄膜2的制備工藝條件為:本底壓強為l(T4Pa~ 10_8Pa，充入保護氣氬氣的壓強為O.lPa~IPa，氧化物單晶基片3與BihMxCuSeO多晶陶瓷靶 間的距離為5.5cm~7cm，激光頻率為3Hz~5Hz，沉積溫度300°C~400°C。沉積完畢后，在壓 強為l〇_ 3-l〇_4Pa的條件下自然降至室溫。
[0026] Bh-xMxCuSeO多晶陶瓷靶的制備工藝包括如下步驟:按化學式Bh-xM xCuSeO的原子 摩爾計量比分別稱取Bi2〇3，單質Bi、Cu和Se，以及元素Μ的氧化物或單質;將所稱取的物質混 合并進行球磨，之后壓制成厚度為2mm~5mm、直徑為20mm~40mm的圓片;利用真空封管技術 將所壓制的圓片封入石英玻璃管中，再利用傳統固相燒結技術進行燒結，即可得到Bh- xMxCuSe0多晶陶瓷靶。
[0027]下面以具體實施例詳細介紹本發明。
[0028] 實施例1
[0029] 1、采用脈沖激光沉積技術在c軸傾斜的La