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基本信息

項(xiàng)目名稱：
具有二維電子氣結(jié)構(gòu)的超晶格的制備--及其激光感生熱電電壓（LITV）效應(yīng)的研究
小類：
能源化工
簡介：
利用脈沖激光沉積（PLD）鍍膜技術(shù)首次在傾斜的LaAlO3襯底上成功的制備出二維電子氣結(jié)構(gòu)的（SrTi0.8Nb0.2O3/ SrTiO3）N超晶格，并首次研究了其激光感生熱電電壓(LITV)效應(yīng)。利用其LITV信號(hào)大小與入射激光能成很好的線性關(guān)系這一性質(zhì)，可以初步設(shè)計(jì)出具有較高精度的激光能量計(jì)。這種激光能量計(jì)比起市售激光能量計(jì)具有小巧、簡易、價(jià)廉、精度高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)本研究還為進(jìn)一步設(shè)計(jì)激光能量計(jì)和光熱輻射探測器等器件提供了核心材料選擇和相應(yīng)的物理基礎(chǔ)及相關(guān)參數(shù)。
詳細(xì)介紹：
根據(jù)二維電子氣結(jié)構(gòu)可以大大的增加薄膜的Seebeck系數(shù)這一理論，利用脈沖激光沉積（PLD）鍍膜技術(shù)首次在傾斜的LaAlO3襯底上成功的制備出二維電子氣結(jié)構(gòu)的（SrTi0.8Nb0.2O3/ SrTiO3）N超晶格，經(jīng)X射線衍射(XRD)表征觀察到了超晶格的精細(xì)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，首次在這種結(jié)構(gòu)的材料中觀察到了激光感生熱電電壓(LITV)效應(yīng)。其LITV信號(hào)峰值電壓大（達(dá)到0.7V/mJ?mm）、響應(yīng)時(shí)間短（100～200ns）且化學(xué)穩(wěn)定性好。利用其LITV信號(hào)大小與入射激光能成很好的線性關(guān)系這一性質(zhì)，可以初步設(shè)計(jì)出具有較高精度的激光能量計(jì)。這種激光能量計(jì)比起市售激光能量計(jì)具有小巧、簡易、價(jià)廉、精度高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)本研究還為進(jìn)一步設(shè)計(jì)激光能量計(jì)和光熱輻射探測器等器件提供了核心材料選擇和相應(yīng)的物理基礎(chǔ)及相關(guān)參數(shù)。

作品圖片

  • 具有二維電子氣結(jié)構(gòu)的超晶格的制備--及其激光感生熱電電壓（LITV）效應(yīng)的研究
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

本作品的目的和基本思路是：利用脈沖激光沉積（PLD）鍍膜技術(shù)制備具有二維電子氣結(jié)構(gòu)的超晶格來研究薄膜材料中的激光感生熱電電壓（LITV）效應(yīng)，為LITV效應(yīng)在實(shí)際器件上的應(yīng)用提供材料設(shè)計(jì)和選擇以及相應(yīng)的物理基礎(chǔ)。 創(chuàng)新點(diǎn)為： 1、利用PLD技術(shù)首次在傾斜的LaAlO3襯底上成功的制備出二維電子氣結(jié)構(gòu)的；（SrTi0.8Nb0.2O3/SrTiO3）N超晶格。 2、首次在超晶格結(jié)構(gòu)的薄膜材料中觀察到LITV信號(hào)； 3、利用超晶格的精細(xì)結(jié)構(gòu)衍射峰（衛(wèi)星峰結(jié)構(gòu)）計(jì)算了SrTiO3和SrTi0.8Nb0.2O3的沉積速率以及膜厚等參數(shù)； 4、通過所測得的LITV信號(hào)，擬合并計(jì)算了一般難以測量的超晶格中的熱擴(kuò)散系數(shù)和各向異性Seebeck系數(shù)； 5、利用所制備的超晶格薄膜的LITV效應(yīng)，初步制做了激光功率計(jì)的探頭； 技術(shù)關(guān)鍵為： （1）在傾斜的LaAlO3襯底上制備出超晶格； （2）超晶格薄膜中LITV信號(hào)的測量和研究； （3）基于LITV效應(yīng)的該類材料在器件上的應(yīng)用； 主要技術(shù)指標(biāo)： （1）設(shè)計(jì)并制備出了（SrTi0.8Nb0.2O3/SrTiO3）N超晶格； （2）該類超晶格的LITV信號(hào)峰值電壓最大達(dá)到0.7V/J?mm，響應(yīng)時(shí)間最快達(dá)到124ns，應(yīng)用到器件上可實(shí)現(xiàn)快響應(yīng)、高靈敏度的特點(diǎn)； （3）在一定能量范圍內(nèi)，LITV信號(hào)與脈沖激光能量呈很好的線性關(guān)系； （4）從紫外到紅外的波長范圍，均能觀察到LITV信號(hào)；

科學(xué)性、先進(jìn)性

以往的LITV效應(yīng)都是在單層膜中觀察到的。本作品首次在傾斜襯底上制備出（SrTi0.8Nb0.2O3/SrTiO3）N超晶格，并首次在其中觀察到LITV信號(hào)。這對LITV效應(yīng)的理論和開發(fā)新的應(yīng)用材料提供了參考。該材料的這種效應(yīng)，適于制做激光功率計(jì)和光熱輻射探測器等器件的核心部件—探頭材料。與傳統(tǒng)探測器的探頭材料相比基于LITV效應(yīng)的此類材料有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）室溫下，雖然是基于熱效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)，但卻無需達(dá)到熱平衡，即只要有溫差就有電壓，因此比傳統(tǒng)的熱探測器響應(yīng)時(shí)間短，可達(dá)到ns量級。（2）從紫外到紅外的波長范圍，均能觀察到LITV信號(hào)，用作光、熱探測器時(shí)，可以在很寬的頻譜范圍內(nèi)工作，易于制成多色探測器和軍事上用的激光雷達(dá)探測器，這是一般半導(dǎo)體很難做到的。（3）利用LITV信號(hào)與脈沖激光能量呈很好的線性關(guān)系，可以將其設(shè)計(jì)成激光功率計(jì)。此外，這類薄膜材料無需恒溫于材料的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，更利于實(shí)際應(yīng)用，而且也不必施加偏置電壓或電流，既減少了器件的內(nèi)耗，又簡化了制作工藝，容易和微電子工藝相匹配。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

本研究主要工作之一“[(SrTiO3)n/(SrTi0.8Nb0.2O3)m]20/LaAlO3超晶格的制備及其激光感生熱電電壓效應(yīng)”以第一作者身份已發(fā)表在《物理學(xué)報(bào)》(SCI刊源)上，見附件； 2009年6月獲第五屆云南高校青年學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎(jiǎng)；

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

圖片及實(shí)物樣品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

1.采用先進(jìn)的PLD鍍膜工藝制備（SrTi0.8Nb0.2O3/ SrTiO3）N超晶格薄膜； 2.利用這類超晶格的LITV信號(hào)大小與入射激光能量大小成正比關(guān)系可以制作出激光功率計(jì)。利用這類薄膜材料制作出的激光功率計(jì)工作波段范圍寬（從紫外到紅外），響應(yīng)時(shí)間快，可達(dá)到ns量級。初步測試顯示，其在1.06μm波長下的靈敏度比市售激光功率計(jì)高5～8倍。用于紫外波段脈沖激光測量則非常有效，可對準(zhǔn)分子激光的輸出能量進(jìn)行定量的標(biāo)定，且價(jià)格僅為市售功率計(jì)的一半左右。如果將這類材料制作成光、熱輻射探測器，還具有工作頻譜范圍寬、無需外置電源、良好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性以及小巧、簡易，制作成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的探測器相比有特別的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。另外，該材料的信號(hào)均是在室溫測到的，如果通過微電子制造工藝的優(yōu)化及材料制備工藝的不斷改善，很好的控制和降低信號(hào)噪聲，提高信噪比，則工作于室溫條件下的非制冷Bolometer的廣泛應(yīng)用將指日可待。將其做成陣列元件，對熱輻射成像的應(yīng)用也是非常值得關(guān)注的。

同類課題研究水平概述

在國際上，H.Lengfellner課題組對薄膜中的LITV信號(hào)的產(chǎn)生原理進(jìn)行了較深入的研究，重點(diǎn)研究的是薄膜材料中的各向異性性質(zhì)的研究，給出了LITV信號(hào)與各向異性Seebeck系數(shù)之間的初步關(guān)系式。張鵬翔課題組對LITV效應(yīng)做了系統(tǒng)而深入的研究，分別在CMR材料和高溫超導(dǎo)材料及其摻雜材料中發(fā)現(xiàn)了LITV效應(yīng)，并篩選了一系列可作為激光功率計(jì)和光熱輻射探測器件的材料。他們還建立新的模型推到了信的LITV信號(hào)時(shí)變公式，指出了H.Lengfellner公式中的錯(cuò)誤。所有這些發(fā)現(xiàn)有LITV效應(yīng)的材料均是單層薄膜材料。 對于具有二維電子氣結(jié)構(gòu)的（SrTi1-xNbxO3/ SrTiO3）N超晶格材料，07年日本的OHTA.H課題組在《Nature Materials》上作了相關(guān)報(bào)道。但該研究旨在研究該材料的傳統(tǒng)熱電性質(zhì)，并且是生長在平襯底上的Seebeck系數(shù)各向同性材料。跟本課題研究的重點(diǎn)不一致，而且本課題是在傾斜襯底上生長的超晶格具有更大的難度，同時(shí)觀察到LITV型號(hào)說明其是各向異性的。 （SrTi0.8Nb0.2O3/ SrTiO3）N超晶格和我組以前所制備的LCMO單層薄膜一樣，也具有：從紫外、可見一直到紅外的波長區(qū)域，在一定得能量范圍內(nèi)，LITV峰值電壓與入射激光能量呈很好的線性關(guān)系。所以，利用這一特性也可制做成快響應(yīng)、高靈敏度激光功率計(jì)。 對于光、熱輻射探測器核心探頭材料按照工作的機(jī)理不同紅外探測材料常被分為熱探測型和光子探測型。眾所周知，基于熱平衡原理的傳統(tǒng)熱探測器的材料有鍺和硅；化合物有硫化鎘、硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、砷化銦，還有三元化合物銦鎵砷、碲錫鉛和碲鎘汞等。具有較寬頻譜范圍，但響應(yīng)時(shí)間較慢；同時(shí)其材料制備困難且大多數(shù)是重金屬有毒元素、晶體的均勻性差不利于制作大型的焦平面陣列、器件工藝特殊、成品率低，故碲鎘汞探測器成本一直居高不下；光子探測器主要有四種類型：光導(dǎo)型、光伏型、光發(fā)射—Schottky勢壘型、量子阱型，它們雖然響應(yīng)時(shí)間快，但工作頻譜范圍窄；另外，隨著超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，它也被運(yùn)用到紅外探測上面來了。這些基本上都是需要制冷的非室溫探測材料，這是目前大多數(shù)紅外探測器難以逾越的鴻溝。 而LITV效應(yīng)型光熱探測器具有：靈敏度中、頻譜范圍寬、響應(yīng)時(shí)間快、無需制冷真正的室溫工作、無需外置電源等優(yōu)點(diǎn)。
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