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1、(10)申请公布号 CN 103427013 A (43)申请公布日 2013.12.04 CN 103427013 A *CN103427013A* (21)申请号 201310385448.5 (22)申请日 2013.08.30 H01L 35/22(2006.01) G01J 1/42(2006.01) (71)申请人 昆明理工大学 地址 650093 云南省昆明市五华区学府路 253 号 (72)发明人 刘翔 张辉 陈清明 张鹏翔 (54) 发明名称 一种原子层热电堆材料及其应用 (57) 摘要 本发明涉及一种原子层热电堆材料及其应 用， 属于光热辐射感生电压材料技术领域。 该原子 。
2、层热电堆材料分子式为 RE2-xDxTO4， 式中 RE 为 Y3+ 或 La3+， D 为 Sr 或 Ba， T 为过渡族金属 Cu、 Ni 或 Co， x小于1 ； 该原子层热电堆材料的使用方法 ： 将 分子式为 RE2-xDxTO4的原子层热电堆材料制成薄 膜， 该薄膜用于制作脉冲激光能量检测系统的探 头芯。 该原子层热电堆材料各向异性较大， 性质稳 定并可在室温及很宽的频谱范围内正常工作， 该 脉冲激光能量检测系统时间效应较快， 可达到皮 秒和飞秒量级， 且不需要偏置电源。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 。
3、(12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103427013 A CN 103427013 A *CN103427013A* 1/1 页 2 1. 一种原子层热电堆材料， 其特征在于 ： 该材料分子式为 RE2-xDxTO4， 式中 RE 为 Y3+或 La3+， D 为 Sr 或 Ba， T 为过渡族金属 Cu、 Ni 或 Co， x 小于 1。 2. 一种权利要求 1 所述原子层热电堆材料的使用方法， 其特征在于 ： 将分子式为 RE2-xDxTO4的原子层热电堆材料制成薄膜。 3. 根据权利要求 2 所述的使用方法， 其特征在于 ： 所述薄膜用。
4、于制作脉冲激光能量检 测系统的探头芯。 权 利 要 求 书 CN 103427013 A 2 1/4 页 3 一种原子层热电堆材料及其应用 技术领域 0001 本发明涉及一种原子层热电堆材料及其应用， 属于光热辐射感生电压材料技术领 域。 背景技术 0002 主流的光热辐射测量材料可以分为两大类 ： 光子型探测器和量热型探测器。光子 型探测器多基于半导体材料。当入射光子的能量高于能隙或杂质能级时， 可将电子或空穴 激发成为自由载流子， 通过测量感生电压、 电导率的变化， 从而使入射辐射被测量。但是这 类材料大多只在确定而有限的光波长下工作。 并且工作波长越长， 信号噪声也越大， 为了降 低噪声。
5、， 材料和器件必须致冷。如用 HgCdTe 材料制造的红外测量仪、 成像仪。 0003 量热型探测器也分很多种， 多是基于晶体受热时物理参数的改变， 通过测量物理 参数的变化推知晶体接收的热辐射。 如利用超导体从正常态到超导态转变点附近的电阻对 热的极端敏感而制造的Bolometer， 如利用热释电效应制造的红外探测器等。 这类探测器的 不足是时间响应很慢， 通常最快也是毫秒量级。 0004 新的一类光热辐射探测器是基于各向异性的 Seebeck 效应。最先在 YBa2Cu3O7- （YBCO） 中发现， 人们认为 YBCO 晶胞中的导电层， 绝缘层就组成了热电偶中的两个组元， 因 此称其为原。
6、子层热电堆材料。这类材料由于晶体结构的各向异性， 当沉积在倾斜的单晶衬 底上时就组成了串联起来的无数个热电偶， 当上下表面有温差时， 就会产生电压， 从而用于 辐射测量。人们利用此效应已开发了几种光、 热辐射探测器。其优点是在很宽的频谱 （从红 外到紫外） 内均有很高的响应率而时间常数很小。其唯一的缺点是 YBCO 在使用环境中的稳 定性差。另一类原子层热电堆材料是 LaCaMnO3（LCMO） 类材料， 它们也有很好光热感生电 压效应， 但是由于电导率的各向异性小而灵敏度较低。 0005 同时上述光子型测量仪和量热型测量仪大多需要施加偏压或偏流， 从而造成暗电 流、 热噪声之类的干扰， 同时。
7、也是消耗能量的器件。 发明内容 0006 针对上述现有技术存在的问题及不足， 本发明提供一种原子层热电堆材料及其应 用。该原子层热电堆材料各向异性较大， 性质稳定并可在室温及很宽的频谱范围内正常工 作， 该脉冲激光能量检测系统时间效应较快， 可达到皮秒和飞秒量级， 且不需要偏置电源， 本发明通过以下技术方案实现。 0007 一种原子层热电堆材料， 该材料分子式为 RE2-xDxTO4， 式中 RE 为 Y3+或 La3+， D 为 Sr 或 Ba， T 为过渡族金属 Cu、 Ni 或 Co， x 小于 1。 0008 一种上述原子层热电堆材料的使用方法， 将分子式为RE2-xDxTO4的原子层。
8、热电堆材 料制成薄膜。 0009 所述薄膜用于制作脉冲激光能量检测系统的探头芯。 0010 上述脉冲激光能量检测系统， 包括传感器探头 1 和高速采集系统 3， 传感器探头 1 说 明 书 CN 103427013 A 3 2/4 页 4 包括探头前端座 4、 探头中部 5、 探头芯 6、 探头后端座 7 和石英玻璃片 8， 传感器探头 1 通过 信号连接线2与高速采集系统3连接， 探头前端座4依次与探头中部5、 探头后端座7连接， 石英玻璃片 8 安装在探头前端座 4 窗口， 探头芯 6 安装到探头后端座 7 上。 0011 上述高速采集系统 3 包括高速数据采集卡和装有 LIV 软件系统的。
9、电脑， 高速数据 采集卡安装在电脑主板 PCI 或其他高速插槽上， 其他高速插槽如 PCIE、 USB。 0012 上述 LIV 软件系统包括采集卡驱动模块、 信号采集模块和数据处理及显示模块。 脉冲激光能量照射到传感器探头1时， 传感器探头1将能量信号转化为电信号， 采集卡驱动 模块驱动采集卡用于将电信号传递给信号采集模块， 同时信号采集模块将电信号转化为能 量信号， 并传递给数据处理及显示模块， 最终获得入射脉冲激光的能量数值及其信号响应 波形。 0013 上述原子层热电堆材料薄膜的制作方法为 ： 用已知技术如 PLD （脉冲激光沉积） 、 射 频溅射 （RF） 、 MBE （分子束外延）。
10、 、 MOCVD （金属有机化学气相沉积） 将 RE2-xDxTO4外延沉积在倾 斜取向的表面法向与晶体(001)轴之间有15倾斜取向的单晶衬底上， 单晶衬底为LaAlO3。 0014 上述原子层热电堆材料薄膜经光刻、 电极制作后便可用于光热辐射的测量， 其原 理为 ： 原子层热电堆材料在短脉冲激光的照射下， 上表面的温度升高， 而下表面上仍处于常 温时， 由温差而感生出的电压由下式表达 ： 式中 ：U(t)为在 X 方向上感生的电压的时间变化值 ； l为薄膜长度 ； d为薄膜厚度 ； （Sab-Sc） 为这类材料的 Seebeck 系数在 ab 面内和 c 方向上的差值 ； 为单晶衬底表面法。
11、向与晶体 （001） 轴之间的夹角， 即倾斜角 ； 0为材料对光的吸收系数 ； E为入射脉冲激光的能量 ； D、 c0、 分别为材料的热扩散系数、 比热和密度 ； 为所用激光在材料中的穿透深度。 0015 该脉冲激光能量检测系统的使用方法 ： 如图 1 至 3 所示， 探头芯 6 由分子式为 RE2-xDxTO4的原子层热电堆材料薄膜制成， 当脉冲激光能量照射到传感器探头 1 时， 上述原 子层热电堆材料薄膜由于 Z 轴方向上下表面之间产生温差， 因此原子层热电堆材料薄膜 X 轴方向 A、 B 电极之间产生横向电压， 电压通过信号连接线 2 传递给高速采集系统 3， 最终获 得入射脉冲激光的能。
12、量数值及其信号响应波形。 0016 本发明的有益效果是 ：（1） 该原子层热电堆材料各向异性较大， 性质稳定并可在 室温及很宽的频谱范围内正常工作 ；（2） 该脉冲激光能量检测系统时间效应较快， 可达到 皮秒和飞秒量级， 且不需要偏置电源。 附图说明 0017 图 1 是本发明脉冲激光能量检测系统示意图 ； 说 明 书 CN 103427013 A 4 3/4 页 5 图 2 是本发明脉冲激光能量检测系统传感器探头 1 结构示意图 ； 图 3 是本发明脉冲激光能量检测系统中分子式为 RE2-xDxTO4的原子层热电堆材料薄膜 的示意图 ； 图 4 本发明分子式为 La2-xSrxNiO4原子层。
13、热电堆材料薄膜在脉冲紫外激光照射下获得 的感生电压的时间响应曲线图 ； 图5本发明分子式为Y2-xBaxCuO4原子层热电堆材料薄膜在脉冲紫外激光照射下获得的 感生电压的时间响应曲线图 ； 图 6 本发明分子式为 La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料薄膜在脉冲紫外激光照射下获得 的感生电压的时间响应曲线图。 0018 图中 ： 1- 传感器探头， 2- 信号连接线， 3- 高速采集系统， 4- 探头前端座， 5- 探头中 部， 6- 探头芯， 7- 探头后端座， 8- 石英玻璃片， 9-RE2-xDxTO4， 10-LaAlO3单晶衬底。 具体实施方式 0019 下面结合附图和具体实施方式。
14、， 对本发明作进一步说明。 0020 实施例 1 该原子层热电堆材料分子式为 La2-xSrxNiO4， 如图 3 所示该原子层热电堆材料制成薄膜 的方法为 ： 采用 PLD（脉冲激光沉积） 将 La2-xSrxNiO4外延沉积在倾斜取向的表面法向与晶 体 (001) 轴之间有 15 倾斜取向的 LaAlO3单晶衬底上。La2-xSrxNiO4原子层热电堆材料薄 膜在 248nm 脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图如图 4 所示， 感生电压 一般可达伏的量级， 上升前沿为 13ns， 因此 La2-xSrxNiO4原子层热电堆材料薄膜是一种快响 应， 高灵敏光探测材料。 0021。
15、 如图1、 2所示， 该脉冲激光能量检测系统， 包括传感器探头1和高速采集系统3， 传 感器探头 1 包括探头前端座 4、 探头中部 5、 探头芯 6、 探头后端座 7 和石英玻璃片 8， 传感器 探头 1 通过信号连接线 2 与高速采集系统 3 连接， 探头前端座 4 依次与探头中部 5、 探头后 端座 7 连接， 石英玻璃片 8 安装在探头前端座 4 窗口， 探头芯 6 安装到探头后端座 7 上， 探 头芯 6 由 La2-xSrxNiO4原子层热电堆材料制成的薄膜构成。其中高速采集系统 3 包括高速 数据采集卡和装有 LIV 软件系统的电脑， 高速数据采集卡安装在电脑主板 PCI 插槽上。
16、 ； LIV 软件系统包括采集卡驱动模块、 信号采集模块和数据处理及显示模块。 0022 实施例 2 该原子层热电堆材料分子式为 Y2-xBaxCuO4， 如图 3 所示该原子层热电堆材料制成薄膜 的方法为 ： 采用射频溅射 （RF） 将 Y2-xBaxCuO4外延沉积在倾斜取向的表面法向与晶体 (001) 轴之间有 15 倾斜取向的 LaAlO3单晶衬底上。Y2-xBaxCuO4原子层热电堆材料薄膜在 248nm 脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图如图 5 所示， 感生电压一般可达伏 的量级， 上升前沿为 49ns， 因此 Y2-xBaxCuO4原子层热电堆材料薄膜是一种快响应。
17、， 高灵敏光 探测材料。 0023 如图1、 2所示， 该脉冲激光能量检测系统， 包括传感器探头1和高速采集系统3， 传 感器探头 1 包括探头前端座 4、 探头中部 5、 探头芯 6、 探头后端座 7 和石英玻璃片 8， 传感器 探头 1 通过信号连接线 2 与高速采集系统 3 连接， 探头前端座 4 依次与探头中部 5、 探头后 端座 7 连接， 石英玻璃片 8 安装在探头前端座 4 窗口， 探头芯 6 安装到探头后端座 7 上， 探 说 明 书 CN 103427013 A 5 4/4 页 6 头芯 6 由 Y2-xBaxCuO4原子层热电堆材料制成的薄膜构成。其中高速采集系统 3 包括。
18、高速数 据采集卡和装有LIV软件系统的电脑， 高速数据采集卡安装在电脑PCIE高速数据接口插槽 上 ； LIV 软件系统包括采集卡驱动模块、 信号采集模块和数据处理及显示模块。 0024 实施例 3 该原子层热电堆材料分子式为 La2-xSrxCoO4， 如图 3 所示该原子层热电堆材料制成薄膜 的方法为 ： 采用 MBE（分子束外延） 将 La2-xSrxCoO4外延沉积在倾斜取向的表面法向与晶体 (001)轴之间有15倾斜取向的LaAlO3单晶衬底上。 La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料薄膜在 248nm 脉冲紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图如图 6 所示， 感生电压一般。
19、 可达伏的量级， 上升前沿为 12ns， 因此 La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料薄膜是一种快响应， 高灵敏光探测材料。 0025 如图1、 2所示， 该脉冲激光能量检测系统， 包括传感器探头1和高速采集系统3， 传 感器探头 1 包括探头前端座 4、 探头中部 5、 探头芯 6、 探头后端座 7 和石英玻璃片 8， 传感器 探头 1 通过信号连接线 2 与高速采集系统 3 连接， 探头前端座 4 依次与探头中部 5、 探头后 端座 7 连接， 石英玻璃片 8 安装在探头前端座 4 窗口， 探头芯 6 安装到探头后端座 7 上， 探 头芯 6 由 La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料。
20、制成的薄膜构成。其中高速采集系统 3 包括高速 数据采集卡和装有 LIV 软件系统的电脑， 高速数据采集卡安装在电脑 USB 高速数据接口插 槽上 ； LIV 软件系统包括采集卡驱动模块、 信号采集模块和数据处理及显示模块。 0026 实施例 4 该原子层热电堆材料分子式为 La2-xSrxCoO4， 如图 3 所示该原子层热电堆材料制成薄膜 的方法为 ： 采用 MOCVD （金属有机化学气相沉积） 将 La2-xSrxCoO4外延沉积在倾斜取向的表面 法向与晶体 (001) 轴之间有 15 倾斜取向的 LaAlO3单晶衬底上。La2-xSrxCoO4原子层热电 堆材料薄膜在 248nm 脉冲。
21、紫外激光照射下获得的感生电压的时间响应曲线图如图 6 所示， 感生电压一般可达伏的量级， 上升前沿为 12ns， 因此 La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料薄膜是 一种快响应， 高灵敏光探测材料。 0027 如图1、 2所示， 该脉冲激光能量检测系统， 包括传感器探头1和高速采集系统3， 传 感器探头 1 包括探头前端座 4、 探头中部 5、 探头芯 6、 探头后端座 7 和石英玻璃片 8， 传感器 探头 1 通过信号连接线 2 与高速采集系统 3 连接， 探头前端座 4 依次与探头中部 5、 探头后 端座 7 连接， 石英玻璃片 8 安装在探头前端座 4 窗口， 探头芯 6 安装到探头后端座 7 上， 探 头芯 6 由 La2-xSrxCoO4原子层热电堆材料制成的薄膜构成。其中高速采集系统 3 包括高速 数据采集卡和装有 LIV 软件系统的电脑， 高速数据采集卡安装在电脑主板 PCI 插槽上 ； LIV 软件系统包括采集卡驱动模块、 信号采集模块和数据处理及显示模块。 说 明 书 CN 103427013 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103427013 A 7 2/3 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103427013 A 8 3/3 页 9 图 6 说 明 书 附 图 CN 103427013 A 9 。