基本信息
- 项目名称：
- 具有二维电子气结构的超晶格的制备--及其激光感生热电电压（LITV）效应的研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 利用脉冲激光沉积（PLD）镀膜技术首次在倾斜的LaAlO3衬底上成功的制备出二维电子气结构的（SrTi0.8Nb0.2O3/ SrTiO3）N超晶格，并首次研究了其激光感生热电电压(LITV)效应。利用其LITV信号大小与入射激光能成很好的线性关系这一性质，可以初步设计出具有较高精度的激光能量计。这种激光能量计比起市售激光能量计具有小巧、简易、价廉、精度高等优点。同时本研究还为进一步设计激光能量计和光热辐射探测器等器件提供了核心材料选择和相应的物理基础及相关参数。
- 详细介绍：
- 根据二维电子气结构可以大大的增加薄膜的Seebeck系数这一理论，利用脉冲激光沉积（PLD）镀膜技术首次在倾斜的LaAlO3衬底上成功的制备出二维电子气结构的（SrTi0.8Nb0.2O3/ SrTiO3）N超晶格，经X射线衍射(XRD)表征观察到了超晶格的精细结构。同时，首次在这种结构的材料中观察到了激光感生热电电压(LITV)效应。其LITV信号峰值电压大（达到0.7V/mJ•mm）、响应时间短（100～200ns）且化学稳定性好。利用其LITV信号大小与入射激光能成很好的线性关系这一性质，可以初步设计出具有较高精度的激光能量计。这种激光能量计比起市售激光能量计具有小巧、简易、价廉、精度高等优点。同时本研究还为进一步设计激光能量计和光热辐射探测器等器件提供了核心材料选择和相应的物理基础及相关参数。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品的目的和基本思路是：利用脉冲激光沉积（PLD）镀膜技术制备具有二维电子气结构的超晶格来研究薄膜材料中的激光感生热电电压（LITV）效应，为LITV效应在实际器件上的应用提供材料设计和选择以及相应的物理基础。 创新点为： 1、利用PLD技术首次在倾斜的LaAlO3衬底上成功的制备出二维电子气结构的；（SrTi0.8Nb0.2O3/SrTiO3）N超晶格。 2、首次在超晶格结构的薄膜材料中观察到LITV信号； 3、利用超晶格的精细结构衍射峰（卫星峰结构）计算了SrTiO3和SrTi0.8Nb0.2O3的沉积速率以及膜厚等参数； 4、通过所测得的LITV信号，拟合并计算了一般难以测量的超晶格中的热扩散系数和各向异性Seebeck系数； 5、利用所制备的超晶格薄膜的LITV效应，初步制做了激光功率计的探头； 技术关键为： （1）在倾斜的LaAlO3衬底上制备出超晶格； （2）超晶格薄膜中LITV信号的测量和研究； （3）基于LITV效应的该类材料在器件上的应用； 主要技术指标： （1）设计并制备出了（SrTi0.8Nb0.2O3/SrTiO3）N超晶格； （2）该类超晶格的LITV信号峰值电压最大达到0.7V/J•mm，响应时间最快达到124ns，应用到器件上可实现快响应、高灵敏度的特点； （3）在一定能量范围内，LITV信号与脉冲激光能量呈很好的线性关系； （4）从紫外到红外的波长范围，均能观察到LITV信号；
科学性、先进性
- 以往的LITV效应都是在单层膜中观察到的。本作品首次在倾斜衬底上制备出（SrTi0.8Nb0.2O3/SrTiO3）N超晶格，并首次在其中观察到LITV信号。这对LITV效应的理论和开发新的应用材料提供了参考。该材料的这种效应，适于制做激光功率计和光热辐射探测器等器件的核心部件—探头材料。与传统探测器的探头材料相比基于LITV效应的此类材料有以下优点：（1）室温下，虽然是基于热效应产生的信号，但却无需达到热平衡，即只要有温差就有电压，因此比传统的热探测器响应时间短，可达到ns量级。（2）从紫外到红外的波长范围，均能观察到LITV信号，用作光、热探测器时，可以在很宽的频谱范围内工作，易于制成多色探测器和军事上用的激光雷达探测器，这是一般半导体很难做到的。（3）利用LITV信号与脉冲激光能量呈很好的线性关系，可以将其设计成激光功率计。此外，这类薄膜材料无需恒温于材料的转变点，更利于实际应用，而且也不必施加偏置电压或电流，既减少了器件的内耗，又简化了制作工艺，容易和微电子工艺相匹配。
获奖情况及鉴定结果
- 本研究主要工作之一“[(SrTiO3)n/(SrTi0.8Nb0.2O3)m]20/LaAlO3超晶格的制备及其激光感生热电电压效应”以第一作者身份已发表在《物理学报》(SCI刊源)上，见附件； 2009年6月获第五届云南高校青年学术科技作品竞赛一等奖；
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片及实物样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.采用先进的PLD镀膜工艺制备（SrTi0.8Nb0.2O3/ SrTiO3）N超晶格薄膜； 2.利用这类超晶格的LITV信号大小与入射激光能量大小成正比关系可以制作出激光功率计。利用这类薄膜材料制作出的激光功率计工作波段范围宽（从紫外到红外），响应时间快，可达到ns量级。初步测试显示，其在1.06μm波长下的灵敏度比市售激光功率计高5～8倍。用于紫外波段脉冲激光测量则非常有效，可对准分子激光的输出能量进行定量的标定，且价格仅为市售功率计的一半左右。如果将这类材料制作成光、热辐射探测器，还具有工作频谱范围宽、无需外置电源、良好的稳定性和可扩展性以及小巧、简易，制作成本低廉的优点，与传统的探测器相比有特别的应用价值和市场前景。另外，该材料的信号均是在室温测到的，如果通过微电子制造工艺的优化及材料制备工艺的不断改善，很好的控制和降低信号噪声，提高信噪比，则工作于室温条件下的非制冷Bolometer的广泛应用将指日可待。将其做成阵列元件，对热辐射成像的应用也是非常值得关注的。
同类课题研究水平概述
- 在国际上，H.Lengfellner课题组对薄膜中的LITV信号的产生原理进行了较深入的研究，重点研究的是薄膜材料中的各向异性性质的研究，给出了LITV信号与各向异性Seebeck系数之间的初步关系式。张鹏翔课题组对LITV效应做了系统而深入的研究，分别在CMR材料和高温超导材料及其掺杂材料中发现了LITV效应，并筛选了一系列可作为激光功率计和光热辐射探测器件的材料。他们还建立新的模型推到了信的LITV信号时变公式，指出了H.Lengfellner公式中的错误。所有这些发现有LITV效应的材料均是单层薄膜材料。 对于具有二维电子气结构的（SrTi1-xNbxO3/ SrTiO3）N超晶格材料，07年日本的OHTA.H课题组在《Nature Materials》上作了相关报道。但该研究旨在研究该材料的传统热电性质，并且是生长在平衬底上的Seebeck系数各向同性材料。跟本课题研究的重点不一致，而且本课题是在倾斜衬底上生长的超晶格具有更大的难度，同时观察到LITV型号说明其是各向异性的。 （SrTi0.8Nb0.2O3/ SrTiO3）N超晶格和我组以前所制备的LCMO单层薄膜一样，也具有：从紫外、可见一直到红外的波长区域，在一定得能量范围内，LITV峰值电压与入射激光能量呈很好的线性关系。所以，利用这一特性也可制做成快响应、高灵敏度激光功率计。 对于光、热辐射探测器核心探头材料按照工作的机理不同红外探测材料常被分为热探测型和光子探测型。众所周知，基于热平衡原理的传统热探测器的材料有锗和硅；化合物有硫化镉、硫化铅、硒化铅、锑化铟、砷化铟，还有三元化合物铟镓砷、碲锡铅和碲镉汞等。具有较宽频谱范围，但响应时间较慢；同时其材料制备困难且大多数是重金属有毒元素、晶体的均匀性差不利于制作大型的焦平面阵列、器件工艺特殊、成品率低，故碲镉汞探测器成本一直居高不下；光子探测器主要有四种类型：光导型、光伏型、光发射—Schottky势垒型、量子阱型，它们虽然响应时间快，但工作频谱范围窄；另外，随着超导材料的出现，它也被运用到红外探测上面来了。这些基本上都是需要制冷的非室温探测材料，这是目前大多数红外探测器难以逾越的鸿沟。 而LITV效应型光热探测器具有：灵敏度中、频谱范围宽、响应时间快、无需制冷真正的室温工作、无需外置电源等优点。
