一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器的制作方法

本发明涉及一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器，属于探测设备技术领域。

背景技术：

横向热电效应从现象层面上是指温度梯度与热电势方向相互垂直的热电效应，从物理机制层面上，横向热电效应目前主要分为四种：能斯特效应、非对角元seebeck效应、自旋seebeck效应和丹倍效应。其中，能斯特效应的本质是温差扩散载流子在外加垂直磁场下受洛伦兹力作用沿横向定向偏转。非对角元seebeck效应是指在具有热电势各向异性的材料中，当材料的晶体学主轴和温度梯度方向存在不为0°的夹角时，seebeck系数张量矩阵的非对角元不为0且对热电效应做贡献，产生与温度梯度方向垂直的电场，当非对角元seebeck效应由各向异性的c轴倾斜外延薄膜实现时，该薄膜结构又叫做原子层热电堆。自旋seebeck效应是铁磁材料在温度梯度的影响下，由于自旋向上的电子和自旋向下的电子具有不同的热电势而产生的一种自旋累积现象。丹倍效应是指非均匀光源垂直照射在偏离样品表面中心的位置时，使光照产生非平衡载流子的扩散电动势沿横向不能完全相消所致，虽然其电动势与光照产生的温度梯度方向相互垂直，但本质是一种光生伏特效应。

目前基于横向热电效应器件的应用，主要是基于非对角元seebeck效应的原子层热电堆光热探测器。此类探测器具有响应波普范围宽、响应时间块、适用范围广等优势，但由于其光(热)电转换效率低，目前尚未大规模商业化应用。究其转换效率低的根本原因，是由于沿器件横向上的温差电动势仅由seebeck系数张量中极小的一部分提供，而其沿温度梯度或薄膜厚度方向上更大的温差热电势，由于材料维度的限制无法被捕捉、测量并利用起来。

综上，需要新的原理与结构设计以进一步增大基于横向热电效应的光热探测器。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器，结构中包括单晶基片、原子层热电堆薄膜、铁磁性薄膜、吸收层、封装层、金属电极，所述单晶基片为c轴斜切的单晶基片，单晶基片的c轴斜切角度0°<θ<30°，所述原子层热电堆薄膜沿c轴倾斜外延生长在单晶基片上，在原子层热电堆薄膜上表面相对中心位置对称设置两个金属电极，两个金属电极由导线与电压表输入端连接，所述铁磁性薄膜生长在单晶基片上并设置在原子层热电堆薄膜的两侧，建立平行于铁磁性薄膜、原子层热电堆薄膜表面且垂直于横向热电势方向的磁场，所述吸收层覆盖在原子层热电堆薄膜、铁磁性薄膜和金属电极上，所述封装层覆盖在吸收层上。

所述单晶基片为c轴取向的srtio3、laalo3、ysz、litao3、si、al2o3或(laxsr1-x)(alyta1-y)o3，(laxsr1-x)(alyta1-y)o3中0.1≤x≤0.5,0.5≤y≤0.7。

所述原子层热电堆薄膜为能实现原子层热电堆横向热电效应的薄膜，要求薄膜材料沿不同晶体学主轴方向有结构和热电输运的各向异性，为yba2cu3o7、ca3co4o9、caxcoo2（0.4≤x≤0.6）、naxcoo2（0.3≤x≤0.7）、bicuseo、la1-xcaxmno3（0.1≤x≤0.5）、la1-xpbxmno3（0.1≤x≤0.5）或bi2sr2cacu2o8等，原子层热电堆薄膜的厚度为50nm-1μm。

所述金属电极的材料为au、ag、cu、in或pt。

所述导线为au、ag或cu导线。

所述铁磁性薄膜为居里温度高于探测器工作温度的室温铁磁性薄膜，可以为nd2fe14b、smco5、sm2co17、alnico等合金铁磁性薄膜，或sro·6fe2o3、bao·6fe2o3、sr3yco4o10.5+δ等氧化物铁磁性薄膜，厚度为50nm-1μm；铁磁性薄膜建立的磁场方向沿铁磁性薄膜、原子层热电堆薄膜表面且垂直于横向热电势的方向，且可根据原子层热电堆薄膜的c轴倾斜方向和载流子类型确定其预极化方向。

所述吸收层的材料为石墨烯、石墨或导热性能好的黑色金属，厚度为0.5-1μm。

所述封装层可根据不同探测目标的光、热源辐射波段选择透过性好、物理化学性能稳定的材料，为石英、玻璃等，厚度为1-2μm。

本发明的原理：

(1)原子层热电堆的横向电幅值可表示为：

其中l为电极间距，δs=(sab-sc)为薄膜沿晶体学ab面和c轴方向的热电势各向异性，为沿薄膜厚度方向的温度梯度，θ为薄膜c轴与温度梯度方向之间的夹角。

(2)能斯特横向电压的响应幅值可表示为：

其中为能斯特系数，bx为外磁场强度，为沿薄膜厚度方向的温度梯度，l为电极间距。

本发明探测器的理论响应幅值为以上两种横向热电效应的叠加。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在现有以原子层热电堆横向热电效应为原理的光热探测器的基础上，增加了垂直于热流和横向热电势方向的能斯特磁场，将原本沿薄膜厚度方向上无法被捕捉、测量的热电势利用起来，显著增大了横向热电效应的光/热-电转换效率，增强了探测器的响应能力和灵敏度，同时兼备体积小、响应时间快，探测波普范围广等优点。

附图说明

图1为本发明光热探测器的正面剖视图；

图2为本发明光热探测器的俯面剖视图；

图3为本发明光热探测器的侧面剖视图；

图4为本发明实施例1中光热探测器的横向电压信号峰值-时间曲线；

图5为本发明实施例2中光热探测器的横向电压信号峰值-时间曲线；

图6为本发明实施例3中光热探测器的横向电压信号峰值-时间曲线；

图中：1-单晶基片；2-原子层热电堆薄膜；3-铁磁性薄膜；4-吸收层；5-封装层；6-金属电极；7-导线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器，见图1、2、3所示，结构中包括单晶基片1、原子层热电堆薄膜2、铁磁性薄膜3、吸收层4、封装层5、金属电极6，单晶基片1为c轴20°斜切的c轴取向srtio3(001)单晶基片，原子层热电堆薄膜2沿c轴倾斜外延生长在srtio3(001)单晶基片1上，在原子层热电堆薄膜2上表面设置两个金属电极6，两个金属电极6在原子层热电堆薄膜2上表面相对中心位置左右对称，金属电极6由导线7与电压表输入端连接，铁磁性薄膜3生长在srtio3(001)单晶基片1上并分布在原子层热电堆薄膜2的两侧，建立平行于铁磁性薄膜3、原子层热电堆薄膜2的表面且垂直于横向热电势方向的磁场，吸收层4覆盖在原子层热电堆薄膜2、铁磁性薄膜3和金属电极6上，封装层5覆盖在吸收层4上。

本实施例中原子层热电堆薄膜2选用yba2cu3o7薄膜，厚度50nm；金属电极6的材料选用au，导线7选用au导线；铁磁性薄膜3选取nd2fe14b薄膜，厚度50nm；吸收层选取多层石墨烯，厚度0.5μm；封装层选取石英，厚度1μm。

使用时，使被测光源或热源垂直辐照复合探测器表面，沿探测器表面法线方向所建立的温度梯度将在横向上产生电压信号，由于在相同辐照波长下探测器所产生的横向电压信号峰值与辐照能量密度成正比，故可通过读取横向电压信号的峰值及其变化实现辐照光源或热源能量密度的大小及其变化的准确测量。

本实施例的复合光热探测器在能量密度为8mjcm^-2的紫外脉冲激光（波长=248nm，脉宽=28ns）照射下产生的横向电压-时间曲线见图4，其信号峰值达~50v，响应时间~70ns，相比现有原子层热电堆横向光热探测器，其垂直于热流和横向热电势方向的能斯特磁场将原本沿薄膜厚度方向上无法被捕捉、测量的热电势利用起来，增大了横向热电效应的光/热-电转换效率，增强了探测器的响应能力和灵敏度，且器件体积小、响应时间快，探测波普范围广。

实施例2

一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器，结构中包括单晶基片1、原子层热电堆薄膜2、铁磁性薄膜3、吸收层4、封装层5、金属电极6，单晶基片1为c轴10°斜切的c轴取向laalo3(001)单晶基片，原子层热电堆薄膜2沿c轴倾斜外延生长在laalo3(001)单晶基片1上，在原子层热电堆薄膜2上表面设置两个金属电极6，两个金属电极6在原子层热电堆薄膜2上表面相对中心位置左右对称，金属电极6由导线7与电压表输入端连接，铁磁性薄膜3生长在laalo3(001)单晶基片1上并分布在原子层热电堆薄膜2的两侧，建立平行于铁磁性薄膜3、原子层热电堆薄膜2的表面且垂直于横向热电势方向的磁场，吸收层4覆盖在原子层热电堆薄膜2、铁磁性薄膜3和金属电极6上，封装层5覆盖在吸收层4上。

本实施例中原子层热电堆薄膜2选用ca3co4o9薄膜，厚度100nm；金属电极6材料选用ag，导线7选用ag导线；铁磁性薄膜3选取sm2co17薄膜，厚度100nm；吸收层选取石墨，厚度0.8μm；封装层选取石英，厚度1.5μm。

使用时，使被测光源或热源垂直辐照复合探测器表面，沿探测器表面法线方向所建立的温度梯度将在横向上产生电压信号，由于在相同辐照波长下探测器所产生的横向电压信号峰值与辐照能量密度成正比，故可通过读取横向电压信号的峰值及其变化实现辐照光源或热源能量密度的大小及其变化的准确测量。

本实施例的复合光热探测器在能量密度为8mjcm^-2的紫外脉冲激光（波长=248nm，脉宽=28ns）照射下产生的横向电压-时间曲线见图5，其信号峰值达~9.5v，响应时间~60ns，相比现有原子层热电堆横向光热探测器，其垂直于热流和横向热电势方向的能斯特磁场将原本沿薄膜厚度方向上无法被捕捉、测量的热电势利用起来，增大了横向热电效应的光/热-电转换效率，增强了探测器的响应能力和灵敏度，且器件体积小、响应时间快，探测波普范围广。

实施例3

一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器，结构中包括单晶基片1、原子层热电堆薄膜2、铁磁性薄膜3、吸收层4、封装层5、金属电极6，单晶基片1为5°斜切的c轴取向al2o3(0001)单晶基片，原子层热电堆薄膜2沿c轴倾斜外延生长在al2o3(0001)单晶基片1上，在原子层热电堆薄膜2上表面设置两个金属电极6，金属电极6在原子层热电堆薄膜2表面上相对中心位置左右对称，金属电极6由导线7与电压表输入端连接，所述铁磁性薄膜3生长在al2o3(0001)单晶基片1上并分布在原子层热电堆薄膜2的两侧，建立平行于铁磁性薄膜3、原子层热电堆薄膜2的表面且垂直于横向热电势方向的磁场，吸收层4覆盖在原子层热电堆薄膜2、铁磁性薄膜3和金属电极6上，封装层5覆盖在吸收层4上。

本实施例中原子层热电堆薄膜2选用ca0.5coo2薄膜，厚度1μm；金属电极6材料选用pt，导线7选用cu导线；铁磁性薄膜3选取sr3yco4o10.5+δ薄膜，厚度1μm；吸收层选黑色金属四氧化三铁，厚度1μm；封装层选取石英，厚度2μm。

使用时，使被测光源或热源垂直辐照复合探测器表面，沿探测器表面法线方向所建立的温度梯度将在横向上产生电压信号，由于在相同辐照波长下探测器所产生的横向电压信号峰值与辐照能量密度成正比，故可通过读取横向电压信号的峰值及其变化实现辐照光源或热源能量密度的大小及其变化的准确测量。

本实施例的复合光热探测器在能量密度为8mjcm^-2的紫外脉冲激光（波长=248nm，脉宽=28ns）照射下产生的横向电压-时间曲线见图6，其信号峰值达~5.8v，响应时间~35ns，相比现有原子层热电堆横向光热探测器，其垂直于热流和横向热电势方向的能斯特磁场将原本沿薄膜厚度方向上无法被捕捉、测量的热电势利用起来，增大了横向热电效应的光/热-电转换效率，增强了探测器的响应能力和灵敏度，且器件体积小、响应时间快，探测波普范围广。

实施例4

一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器，见图1、2、3所示，结构中包括单晶基片1、原子层热电堆薄膜2、铁磁性薄膜3、吸收层4、封装层5、金属电极6，单晶基片1为c轴25°斜切的c轴取向(la0.3sr0.7)(al0.65ta0.35)o3(001)单晶基片，原子层热电堆薄膜2沿c轴倾斜外延生长在(la0.3sr0.7)(al0.65ta0.35)o3(001)单晶基片1上，在原子层热电堆薄膜2上表面设置两个金属电极6，两个金属电极6在原子层热电堆薄膜2上表面相对中心位置左右对称，金属电极6由导线7与电压表输入端连接，铁磁性薄膜3生长在(la0.3sr0.7)(al0.65ta0.35)o3(001)单晶基片1上并分布在原子层热电堆薄膜2的两侧，建立平行于铁磁性薄膜3、原子层热电堆薄膜2的表面且垂直于横向热电势方向的磁场，吸收层4覆盖在原子层热电堆薄膜2、铁磁性薄膜3和金属电极6上，封装层5覆盖在吸收层4上。

本实施例中原子层热电堆薄膜2选用la0.77ca0.3mno3薄膜，厚度500nm；金属电极6的材料选用au，导线7选用au导线；铁磁性薄膜3选取sro·6fe2o3薄膜，厚度500nm；吸收层选取多层石墨烯，厚度1μm；封装层选取玻璃，厚度2μm。

使用时，使被测光源或热源垂直辐照复合探测器表面，沿探测器表面法线方向所建立的温度梯度将在横向上产生电压信号，由于在相同辐照波长下探测器所产生的横向电压信号峰值与辐照能量密度成正比，故可通过读取横向电压信号的峰值及其变化实现辐照光源或热源能量密度的大小及其变化的准确测量。

本实施例的复合光热探测器相比现有原子层热电堆横向光热探测器，其垂直于热流和横向热电势方向的能斯特磁场将原本沿薄膜厚度方向上无法被捕捉、测量的热电势利用起来，增大了横向热电效应的光/热-电转换效率，增强了探测器的响应能力和灵敏度，且器件体积小、响应时间快，探测波普范围广。