一种原位太赫兹波谱电化学装置及其制备方法

本申请涉及光电器件技术领域，更具体地说，涉及一种原位太赫兹波谱电化学装置及其制备方法。

背景技术：

太赫兹波泛指频率在0.1thz～10thz区间内的电磁波，由于太赫兹波独特的时域脉冲特性、低能、宽带等特点，近年来，太赫兹波广泛应用于材料科学、量子信息、生物医学、卫星通信和物品成像都方面。另外，太赫兹波会受到可动载流子的强烈吸收和反射，因此在材料科学及能源相关领域，其常被用来研究材料的电导及载流子的动力学。

现有的太赫兹波电化学装置的结构和加工工艺较为复杂，且大多需要外加太赫兹波光源，难以满足实际应用的需求。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供了一种原位太赫兹波谱电化学装置及其制备方法，以解决太赫兹波电化学装置的结构和加工工艺复杂的问题。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种原位太赫兹波谱电化学装置，包括：

衬底，所述衬底包括相背的第一表面和第二表面；

位于所述第一表面一侧的激光发射器，所述激光发射器用于向所述第一表面发射飞秒激光；

位于所述第二表面一侧依次设置的铁磁薄膜、非铁磁薄膜和电催化剂层；

位于所述电催化剂层远离所述衬底一侧的对电极；

所述电催化剂层与所述对电极之间用于设置电解液；

位于所述对电极远离所述衬底一侧的太赫兹波探测器；

用于提供工作磁场的磁场装置。

可选的，还包括：

位于所述电催化剂层远离所述衬底一侧的密封框架，所述密封框架用于将所述电解液封装于所述电催化剂层与所述对电极之间。

可选的，所述对电极包括：

熔融石英层；

位于所述熔融石英层朝向所述衬底一侧的导电膜；

位于所述熔融石英层远离所述衬底一侧的电解液注入管、电解液排出管和参比电极，所述电解液注入管和所述电解液排出管均贯穿所述熔融石英层。

可选的，所述导电膜为掺铟的氧化锡薄膜或掺氟的氧化锡薄膜或掺铝的氧化锌薄膜或掺镧的锡酸钡薄膜或金薄膜或银薄膜或铂薄膜或铜薄膜。

可选的，所述铁磁薄膜包括铁薄膜、钴薄膜、镍薄膜、钴铁薄膜或预设合金薄膜；

所述预设合金薄膜为由铁、钴、镍和钴铁材料中的至少两种材料形成的合金薄膜。

可选的，所述非铁磁薄膜包括金薄膜、铂薄膜、银薄膜、铬薄膜、铅薄膜、钽薄膜、钇薄膜或钨薄膜中的至少一种。

可选的，所述激光发射器包括飞秒激光源；

所述飞秒激光源用于发射飞秒激光。

可选的，所述飞秒激光源还用于调节发射的所述飞秒激光的光强和/或脉宽。

可选的，所述工作磁场的磁场方向平行于所述铁磁薄膜。

一种原位太赫兹波谱电化学装置的制备方法，包括：

s101：提供衬底，所述衬底包括相背的第一表面和第二表面；

s102：在所述衬底的第二表面形成铁磁薄膜；

s103：在所述铁磁薄膜远离所述衬底一侧形成非铁磁薄膜；

s104：在所述非铁磁薄膜远离所述衬底一侧依次形成电催化剂层和对电极，所述电催化剂层与所述对电极之间用于设置电解液；

s105：在所述对电极远离所述衬底一侧设置太赫兹波探测器；

s106：在所述衬底的第一表面一侧设置激光发射器，所述激光发射器用于向所述第一表面发射飞秒激光；

s107：设置磁场装置，以提供工作磁场。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种原位太赫兹波谱电化学装置及其制备方法，该原位太赫兹波谱电化学装置由铁磁薄膜和非铁磁薄膜构成太赫兹波发射器，通过飞秒激光泵浦铁磁薄膜产生超快自旋流，由于铁磁薄膜和非铁磁薄膜界面处的逆自旋霍尔效应，使得铁磁薄膜的自旋流转变为非铁磁薄膜的瞬变电荷流，从而在所述非铁磁薄膜一侧辐射出太赫兹波，产生的太赫兹波通过电催化剂层、电解液和对电极后入射到所述太赫兹波探测器中，实现了针对材料电导和载流子的一种亚皮秒时间分辨率的非接触的原位探测，除此之外，所述原位太赫兹波谱电化学装置还可用于研究太赫兹波对电化学过程的影响。所述原位太赫兹波谱电化学装置利用太赫兹波发射器将飞秒激光转换为太赫兹波，无需外加太赫兹波光源，具有结构以及制备工艺简单的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种原位太赫兹波谱电化学装置的结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的一种对电极的正视图；

图3为本申请的一个实施例提供的一种对电极的侧视图；

图4为本申请的一个实施例提供的一种原位太赫兹波谱电化学装置的制备方法的流程示意图；

图5为本申请的一个实施例提供的一种对电极的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，对于太赫兹波电化学装置的研究具有重要意义，具体地，将光谱技术与电化学技术进行原位结合，可以在分子水平研究催化剂表面发生的分子吸附、成键、取向和解离等过程，探究反应机理，推动电化学研究从宏观进入微观，从唯象进入分子/原子水平。相较于紫外(uv)、红外(ir)、拉曼(raman)、核磁共振(nmr)、电子顺磁共振(epr)等光谱技术与电化学的成功结合，太赫兹光谱电化学技术目前还很欠缺，这主要是因为导电材料一般对太赫兹波的反射都较为强烈。另外，由于水会对太赫兹产生强烈的共振吸收，导致信号探测困难，这也是阻碍太赫兹光谱电化学技术发展的一个因素。

目前国内外研究人员已经成功设计、制作出了一些太赫兹谱电化学装置，出于对太赫兹透光率、几何条件和电解液防漏的考虑，这些电池都有着复杂的结构和加工工艺，且大多都需要外加太赫兹光源，难以满足实际应用的需求。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种原位太赫兹波谱电化学装置，该原位太赫兹波谱电化学装置由铁磁薄膜和非铁磁薄膜构成太赫兹波发射器，通过飞秒激光泵浦铁磁薄膜产生超快自旋流，由于铁磁薄膜和非铁磁薄膜界面处的逆自旋霍尔效应，使得铁磁薄膜的自旋流转变为非铁磁薄膜的瞬变电荷流，从而在所述非铁磁薄膜一侧辐射出太赫兹波，产生的太赫兹波通过电催化剂层、电解液和对电极后入射到所述太赫兹波探测器中，实现了针对材料电导和载流子的一种亚皮秒时间分辨率的非接触的原位探测，除此之外，所述原位太赫兹波谱电化学装置还可用于研究太赫兹波对电化学过程的影响。所述原位太赫兹波谱电化学装置利用太赫兹波发射器将飞秒激光转换为太赫兹波，无需外加太赫兹波光源，具有结构以及制备工艺简单的优点。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种原位太赫兹波谱电化学装置，如图1所示，包括：

衬底20，所述衬底20包括相背的第一表面和第二表面；

位于所述第一表面一侧的激光发射器10，所述激光发射器10用于向所述第一表面发射飞秒激光；

位于所述第二表面一侧依次设置的铁磁薄膜30、非铁磁薄膜40和电催化剂层50；

位于所述电催化剂层50远离所述衬底20一侧的对电极70；

所述电催化剂层50与所述对电极70之间用于设置电解液；

位于所述对电极70远离所述衬底20一侧的太赫兹波探测器110；

用于提供工作磁场的磁场装置。

相较于现有技术，本申请实施例提供的原位太赫兹波谱电化学装置利用铁磁薄膜30和非铁磁薄膜40的组合构成太赫兹波发射器，无需外加太赫兹波光源，通过飞秒激光激发太赫兹波发射器产生太赫兹波，具有结构简单，加工工艺简单的特点。具体地，所述太赫兹波发射器通过飞秒激光泵浦铁磁薄膜30产生超快自旋流，由于铁磁薄膜30和非铁磁金属薄膜界面的逆自旋霍尔效应，使得铁磁薄膜30的自旋流转变为非铁磁薄膜40的瞬变电荷流，从而在非铁磁薄膜40一侧辐射出太赫兹波。

产生的太赫兹波通过电催化剂层50后到达电解液处，将太赫兹波在电解液中的传播距离控制在几十微米量级，可大幅度减少水对于太赫兹波的吸收，保证了太赫兹波的高透过率，实现了针对材料电导和载流子的一种亚皮秒时间分辨率的非接触的原位的探测，除此之外，所述原位太赫兹波谱电化学装置还可用于研究太赫兹波对电化学过程的影响。

所述磁场装置提供的工作磁场的磁场方向可调，通过改变所述铁磁薄膜30内的磁场方向，可以调控出射的太赫兹波的偏振方向，可选的，在本申请的一个实施例中，所述工作磁场的磁场方向平行于所述铁磁薄膜30。

可选的，所述铁磁薄膜30包括铁薄膜、钴薄膜、镍薄膜、钴铁薄膜或预设合金薄膜；

所述预设合金薄膜为由铁、钴、镍和钴铁材料中的至少两种材料形成的合金薄膜。

可选的，所述铁磁薄膜30的厚度的取值范围为1nm～10nm。

可选的，所述非铁磁薄膜40为非铁磁金属材料薄膜，具体地，所述非铁磁薄膜40包括金薄膜、铂薄膜、银薄膜、铬薄膜、铅薄膜、钽薄膜、钇薄膜或钨薄膜中的至少一种。

可选的，所述非铁磁薄膜40的厚度的取值范围为1nm～10nm。

可选的，所述激光发射器10包括飞秒激光源；

所述飞秒激光源用于发射飞秒激光。

可选的，所述飞秒激光源还用于调节发射的所述飞秒激光的光强和/或脉宽。

通过调整入射飞秒激光的光强、脉宽、功率以及外加磁场的强度、方向等参数可以实现对太赫兹波发射器出射的太赫兹波的强度、偏振和频谱范围的调节。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，仍然参考图1，所述原位太赫兹波谱电化学装置，还包括：

位于所述电催化剂层50远离所述衬底20一侧的密封框架60，所述密封框架60用于将所述电解液封装于所述电催化剂层50与所述对电极70之间。

所述密封框架60可以为树脂框架，所述树脂框架的形成材料包括但不限于surlyn树脂。

可选的，所述密封框架60的厚度的取值范围为25μm～100μm。

可选的，所述衬底20为透明衬底20或近红外飞秒激光可穿过的衬底20，具体地，所述衬底20包括但不限于聚甲基戊烯衬底20或石英衬底20或蓝宝石衬底20。

所述衬底20的厚度的取值范围为1μm～1mm。

关于所述对电极70，可选的，所述对电极70为太赫兹光透光性好的导电电极，可选的，所述对电极70为端部约四分之一部分覆盖有导电膜130的熔融石英，更具体地，参考图2和图3，图2为所述对电极70的正视图，图3为所述对电极70的侧视图，所述对电极70包括：

熔融石英层120；

位于所述熔融石英层120朝向所述衬底20一侧的导电膜130；

位于所述熔融石英层120远离所述衬底20一侧的电解液注入管90、电解液排出管80和参比电极100，所述电解液注入管90和所述电解液排出管80均贯穿所述熔融石英层120。

其中，可选的，所述导电膜130为掺铟的氧化锡薄膜或掺氟的氧化锡薄膜或掺铝的氧化锌薄膜或掺镧的锡酸钡薄膜或金薄膜或银薄膜或铂薄膜或铜薄膜。

所述导电膜130的厚度的取值范围为1μm～10μm，所述熔融石英层120的厚度的取值范围为0.5mm～1mm。

所述电解液注入管90和所述电解液排出管80均可以为聚醚醚酮(polyetheretherketone，peek)管。

在本实施例中，所述熔融石英层120上装有电解液注入管90和电解液排出管80，可实时调整电解液的成分，且电解液排出管80设置在所述熔融石英层120上，电解液的流动可以组织对电极70上的产物迁移至工作电极材料(熔融石英层120)处。

下面对本申请实施例提供的原位太赫兹波谱电化学装置的制备方法进行描述，下文描述的原位太赫兹波谱电化学装置的制备方法可与上文描述的原位太赫兹波谱电化学装置相互对应参照。

相应的，本申请实施例还提供了一种原位太赫兹波谱电化学装置的制备方法，如图4所示，包括：

s101：提供衬底20，所述衬底20包括相背的第一表面和第二表面；

s102：在所述衬底20的第二表面形成铁磁薄膜30；

s103：在所述铁磁薄膜30远离所述衬底20一侧形成非铁磁薄膜40；

s104：在所述非铁磁薄膜40远离所述衬底20一侧依次形成电催化剂层50和对电极70，所述电催化剂层50与所述对电极70之间用于设置电解液；

s105：在所述对电极70远离所述衬底20一侧设置太赫兹波探测器110；

s106：在所述衬底20的第一表面一侧设置激光发射器10，所述激光发射器10用于向所述第一表面发射飞秒激光；

s107：设置磁场装置，以提供工作磁场。

在本实施例中，形成铁磁薄膜30的工艺包括但不限于使用磁控溅射技术或分子束外延技术或脉冲激光沉积技术。

形成非铁磁薄膜40的工艺包括但不限于使用磁控溅射技术或分子束外延技术或脉冲激光沉积技术生长非铁磁薄膜40。

形成对电极70中的熔融石英层120的技术包括但不限于使用磁控溅射技术或分子束外延技术或脉冲激光沉积技术或旋涂技术。

在形成所述对电极70的步骤中，参考图5，所述对电极70的制作过程包括：

s201：在熔融石英层120上覆盖导电膜130，形成电极片；

s202：将电极片钻孔后，使用环氧树脂固定电解液注入管90、电解液排出管80以及参比电极100。

可选的，注入电解液之前，该方法还包括：

s301：使用surlyn树脂形成封装框架以封装电池，之后通过电解液注入管90注入电解液。

综上所述，本申请实施例提供了一种原位太赫兹波谱电化学装置及其制备方法，该原位太赫兹波谱电化学装置由铁磁薄膜30和非铁磁薄膜40构成太赫兹波发射器，通过飞秒激光泵浦铁磁薄膜30产生超快自旋流，由于铁磁薄膜30和非铁磁薄膜40界面处的逆自旋霍尔效应，使得铁磁薄膜30的自旋流转变为非铁磁薄膜40的瞬变电荷流，从而在所述非铁磁薄膜40一侧辐射出太赫兹波，产生的太赫兹波通过电催化剂层50、电解液和对电极70后入射到所述太赫兹波探测器110中，实现了针对材料电导和载流子的一种亚皮秒时间分辨率的非接触的原位探测，除此之外，所述原位太赫兹波谱电化学装置还可用于研究太赫兹波对电化学过程的影响。所述原位太赫兹波谱电化学装置利用太赫兹波发射器将飞秒激光转换为太赫兹波，无需外加太赫兹波光源，具有结构以及制备工艺简单的优点。

本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。