一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种薄膜光、热探测器，具体地说是一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、 热探测器。
【背景技术】
[0002] 横向热电效应是一种温差和电压方向相互垂直的热电效应，本质是一个光-热-电 转换过程。它可以简单地表述为：当一束光辐照到c轴倾斜生长的薄膜表面时，会立即在其 厚度方向建立起一温度梯度VzT，由于薄膜塞贝克系数的各向异性，会导致薄膜表面两端 产生一个与温差相垂直的开路电压信号，电压幅值可用以下公式来表不：
[0003]
[0004]上述公式中，α为薄膜c轴倾斜角度，〇°〈a〈45° ; AS为薄膜ab面与c轴方向的塞贝克 系数的差值；为光照在薄膜z轴方向形成的温度梯度。近年来，横向热电型光(热)探测 器在科技领域备受关注。无噪声、无需外加偏压和制冷部件、可实现全波段光探测和各种热 探测是该类型光(热)探测器的优势。
[0005] 现有专利CN 104900670 A公开了 "一种基于铋铜硒氧(BiCuSeO)热电薄膜横向热 电效应的光探测器"，该探测器利用c轴倾斜生长的BiCuSeO薄膜的横向热电效应，使得探测 器不需要制冷，响应波段宽，探测灵敏度高，且能同时实现光和热的探测。但是，在308nm的 脉冲光照射下，该探测器的输出电压信号幅值最大也不超过6V，导致探测器的灵敏度仍然 比较低。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是提供一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，该探测器与 基于本征铋铜硒氧薄膜的光、热探测器相比，可大幅度提高探测器的灵敏度。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：一种基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器，包括横 向热电元件，在所述横向热电元件的上表面设置有两个对称的金属电极作为电压信号的输 出端，所述金属电极通过电极引线将横向热电元件的电压信号输出端与电压表输入端相连 接;所述横向热电元件包括c轴倾斜的氧化物单晶基片及生长在所述氧化物单晶基片上c轴 倾斜的掺杂铋铜硒氧薄膜，所述金属电极设置在所述掺杂铋铜硒氧薄膜的上表面;所述掺 杂铋铜硒氧薄膜的化学式为Bh- xMxCuSeO,其中，Μ为Pb、Ba、Sr、CaSMg，0<x<0.2。
[0008] 所述掺杂铋铜硒氧薄膜的厚度为50nm~500nm。
[0009] 所述氧化物单晶基片为铝酸镧单晶或钛酸锶单晶。
[0010] 所述氧化物单晶基片的c轴倾斜方向与所述掺杂铋铜硒氧薄膜的c轴倾斜方向一 致。
[0011] 所述掺杂铋铜硒氧薄膜的c轴倾斜角度α为〇° <α<45°。
[0012] 所述掺杂铋铜硒氧薄膜是利用激光分子束外延或脉冲激光沉积工艺在工作腔内 溅射Bii-xMxCuSeO多晶陶瓷靶而形成。
[0013] 所述Bh-xMxCuSeO多晶陶瓷靶的制备步骤包括:按化学式Bii-xM xCuSeO的原子摩尔 计量比称取扮2〇3、81、〇!、36及元素1的氧化物或单质；将所称取的物质混合并球磨，压制成 厚度为2mm~5mm、直径为20mm~40mm的圆片；利用真空封管技术将所制圆片封入石英玻璃 管中，再采用固相烧结工艺进行烧结，即可得到BihMxCuSeO多晶陶瓷靶。
[0014]所述掺杂铋铜硒氧薄膜的制备工艺条件为:工作腔内的压强为l(T4Pa~l(T8Pa，工 作腔内充入保护气氩气的压强为O.lPa~IPa，氧化物单晶基片与Bh-xMxCuSeO多晶陶瓷靶 间距离为5 · 5cm~7cm，激光频率为3Hz~5Hz，沉积温度为300°C~400°C〇
[0015] 两个所述金属电极之间的间距为3mm~30mm，金属电极的材料为Pt、Au、Ag、Al或 In〇
[0016] 所述电极引线为直径为0.05mm~0.1mm的Au、Ag或Cu导线。
[0017] 本发明所提供的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的横向热电型光、热探测器，通过对铋铜 锡氧薄膜进行铅、钡等掺杂以优化其载流子浓度及光吸收率，可以大幅提升探测灵敏度并 缩短响应时间。对于由掺杂铅、钡的铋铜硒氧薄膜(BioiPbo.osCuSeCKBioiBao.osCuSeO)形 成的探测器，在308nm脉冲激光的辐照下，探测器的横向热电压幅值可以分别达到18.9V和 38V，探测灵敏度分别是基于本征铋铜硒氧薄膜探测器的2.7倍和5.5倍；响应时间也仅为 70ns和160ns;而且，与基于铋锶钴氧、钇钡铜氧、镧钙锰氧薄膜等材料构成的探测器相比， 探测灵敏度也有大幅度提高。因此，本发明中掺杂铋铜硒氧薄膜在高灵敏、快响应的光、热 探测领域具有很好的应用前景。
[0018] 本发明所提供的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的横向热电型光、热探测器，除了具有高 灵敏、快响应的优点外，还具有成本低廉、制备工艺简单等的优点。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明中基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器的结构示意图。图中：1、光 源或热源，2、掺杂铋铜硒氧薄膜，3、氧化物单晶基片，4、电极引线，5、金属电极，6、电压表。
[0020] 图2是实施例1、实施例2、实施例3和对比例1中，在308nm脉冲激光辐照下，基于铅 掺杂铋铜硒氧薄膜(Bh-xPb xCuSe0，x = 0.04,0.08，0.12，0)的探测器的输出电压-时间响应 曲线示意图。
[0021] 图3是实施例4在5 3 2 n m脉冲激光辐照下，基于铅掺杂铋铜硒氧薄膜 BioiPbo.osCuSeO的探测器的输出电压-时间响应曲线示意图。
[0022]图4是实施例5和实施例6中，在308nm脉冲激光辐照下，基于钡掺杂铋铜硒氧薄膜 (Bi^BaxCuSeO，x = 0.05,0.1)的探测器的输出电压-时间响应曲线示意图。
【具体实施方式】
[0023]如图1所示，本发明所提供的基于掺杂铋铜硒氧薄膜的光、热探测器包括横向热电 元件，横向热电元件由c轴倾斜的氧化物单晶基片3及生长在氧化物单晶基片3上的c轴倾斜 的掺杂铋铜硒氧薄膜2构成，氧化物单晶基片3的c轴倾斜方向与掺杂铋铜硒氧薄膜2的c轴 倾斜方向一致，两者的c轴倾斜角度α可以为0° <α<45°。氧化物单晶基片3可以为铝酸镧 (LaA103)单晶或钛酸锶(SrTi0 3)单晶。掺杂铋铜硒氧薄膜2的厚度可以在50nm~500nm之间。
[0024] 在掺杂祕铜硒氧薄膜2的上表面上设置有两个对称分布的金属电极5，金属电极5 可由热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术制备。两个金属电极5的位置相对于掺杂铋铜硒 氧薄膜2的中心线要严格左右对称，两个金属电极5的间距可以在3mm~30mm之间。金属电极 5的材料可以选用金属Pt、Au、Ag、Al或In等。两个金属电极5用于作为横向热电元件的电压 信号的输出端，两个金属电极5通过电极引线4与电压表6 (或别的电压信号测试设备）的输 入端相接;在光源或热源1的照射下，会在掺杂铋铜硒氧薄膜2的上表面两端产生一个开路 电压信号，通过电压表6可对横向热电元件上表面的横向电压进行测量。电极引线4可以选 用Au、Ag或Cu等的细导线，细导线的直径可以为0.05mm~0.1mm。
[0025] 掺杂铋铜硒氧薄膜2的化学通式为Bh-xMxCuSeO,其中，Μ为 <χ<0.2。掺杂铋铜硒氧薄膜2可以利用激光分子束外延或脉冲激光沉积技术溅射Bh-xMxCuS e〇多晶陶瓷靶而形成。掺杂铋铜硒氧薄膜2的制备工艺条件为:本底压强为l(T4Pa~ 10_8Pa，充入保护气氩气的压强为O.lPa~IPa，氧化物单晶基片3与BihMxCuSeO多晶陶瓷靶 间的距离为5.5cm~7cm，激光频率为3Hz~5Hz，沉积温度300°C~400°C。沉积完毕后，在压 强为l〇_ 3-l〇_4Pa的条件下自然降至室温。
[0026] Bh-xMxCuSeO多晶陶瓷靶的制备工艺包括如下步骤:按化学式Bh-xM xCuSeO的原子 摩尔计量比分别称取Bi2〇3，单质Bi、Cu和Se，以及元素Μ的氧化物或单质;将所称取的物质混 合并进行球磨，之后压制成厚度为2mm~5mm、直径为20mm~40mm的圆片;利用真空封管技术 将所压制的圆片封入石英玻璃管中，再利用传统固相烧结技术进行烧结，即可得到Bh- xMxCuSe0多晶陶瓷靶。
[0027]下面以具体实施例详细介绍本发明。
[0028] 实施例1
[0029] 1、采用脉冲激光沉积技术在c轴倾斜的La