Улучшенный светоиндуцированный поперечный термоэлектрический эффект в наклонной пленке BiCuSeO через ультратонкий слой AuNP

Введение

Светоиндуцированный поперечный термоэлектрический эффект (LITT) - это особое термоэлектрическое явление, при котором электрический и тепловой потоки в материале перпендикулярны друг другу. Этот эффект возникает из-за анизотропии коэффициента Зеебека и может быть обнаружен только в наклонных структурах [1, 2]. Как показано на рис. 1a, когда поверхность c -осевая наклонная пленка освещается светом, разница температур Δ T _z между поверхностью пленки и дном устанавливается по z по оси из-за поглощения падающего света, что приведет к появлению сигнала теплового напряжения V _x вдоль x направление оси. Индуцированное напряжение В _x можно выразить как:

где l , d , и α диаметр светового пятна на пленке, толщина пленки и угол наклона c- оси относительно нормали к поверхности пленки соответственно. Δ S = S _ab - С _c разница коэффициента Зеебека в ab -плоскость и по c - направление оси пленки [2].

В последние несколько лет эффект LITT привлек большое внимание в связи с потенциальным применением в неохлаждаемых оптических детекторах с автономным питанием. На наклонных пленках YBa ₂ проведены обширные исследования. Cu ₃ О _7-δ , La _1-x Ca _x MnO ₃ , Ca _x CoO ₂ , Bi ₂ Sr ₂ Со ₂ O _y , La _0.9 Sr _0,1 NiO ₃ , SrTi _{1 − x} Nb _x О ₃ и т. д. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]. Однако чувствительность по напряжению R _s , которая определяется как отношение амплитуды выходного напряжения V _p энергии падающего света E облучение пленки, полученной из этих пленок, еще недостаточно для практического применения в оптических детекторах. В последнее время для улучшения R _s слой золотой сажи или углеродных нанотрубок толщиной в несколько микрометров (мкм) был нанесен на поверхность пленки Takahashi et al. и Wang et al. [15,16,17,18]. Слой золотой сажи или углеродных нанотрубок может действовать как светопоглощающий слой, что, как ожидается, улучшит эффективность фототермического преобразования эффекта LITT и увеличит значение Δ T _z . Эта стратегия оказалась очень эффективной для непрерывного светового излучения. В то время как для импульсного светового излучения введение светопоглощающего слоя толщиной в микрометр привело к значительному ухудшению R _s , уменьшившись примерно до 0,5% от первоначального значения. Хотя светопоглощающий слой микрометровой толщины увеличивает использование падающего света, он значительно снижает входную тепловую энергию импульсного светового излучения из-за чрезмерно длительного времени тепловой релаксации во всей системе, что в конечном итоге приводит к уменьшению Δ Т _z [15]. Слой ультратонких наночастиц золота (AuNP) играет довольно важную роль в материаловедении благодаря своим уникальным химическим и физическим свойствам, которые широко используются во многих областях, таких как фотоника, сбор солнечной энергии, биологическое зондирование, комбинационное рассеяние света с усилением поверхности. и приложения молекулярной спектроскопии [19,20,21]. В этой статье мы исследовали использование ультратонкого слоя AuNP толщиной 4–7 нм в качестве светопоглощающего слоя для повышения чувствительности к напряжению R _s ЛИТТ-эффекта в наклонной пленке BiCuSeO. Это соединение является новым многообещающим термоэлектрическим материалом с анизотропной слоистой структурой [22,23,24,25], что делает его хорошим кандидатом для изучения LITT-эффекта [26, 27]. Поскольку процесс термической релаксации в ультратонком слое AuNPs очень быстрый и им можно пренебречь, процесс термической релаксации в существующей системе AuNPs / BiCuSeO по-прежнему определяется пленкой BiCuSeO. В обоих случаях при непрерывном и импульсном световом облучении примерно в два раза увеличивается R _s была достигнута путем напыления слоя AuNP толщиной 4 нм на пленку BiCuSeO. Когда толщина слоя AuNPs увеличивается примерно до 7 нм, вклад слоя AuNPs в удельное сопротивление всей структуры (Au / BiCuSeO) больше нельзя игнорировать из-за его хорошей электропроводности, которая подавляет приращение R _s .

Методы

Подготовка пленки BiCuSeO и слоя AuNP

В этой работе c- Наклоненные оси пленки BiCuSeO толщиной около 150 нм были изготовлены с использованием импульсной лазерной абляции 308 нм керамической мишени BiCuSeO в атмосфере аргона высокой чистоты. Угол наклона пленки регулировался углом среза подложки. Здесь 20 ° неправильная резка (001) LaAlO ₃ Использовались монокристаллические подложки. Подробности изготовления пленки и структурных характеристик можно найти в наших предыдущих статьях [25,26,27]. Слой AuNPs толщиной 4 и 7 нм соответственно был нанесен на наклонную пленку BiCuSeO методом распыления. Во время процесса напыления давление газа Ar в камере устанавливали на 0,1 Па, температуру подложки поддерживали на уровне 300 К, а ток напыления составлял 6 мА.

Характеристика

SEM и HRTEM были использованы для иллюстрации изображений поверхности и поперечного сечения слоя AuNPs. Для оценки характеристик поглощения света и фототермического преобразования пленки BiCuSeO, а также ультратонкого слоя AuNPs, спектры поглощения света чистого BiCuSeO, слоя AuNPs и AuNPs / BiCuSeO были измерены с помощью спектрофометра Hitachi U-4100 соответственно. .

Термоэлектрические характеристики

Мы рассчитали удельное электрическое сопротивление ρ и коэффициент Зеебека S измерения на пленке BiCuSeO с плотностью носителей около 6,6 × 10 ⁻¹⁹ см ⁻³ , как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S1. При комнатной температуре ab Удельное электрическое сопротивление плоскости и коэффициент Зеебека пленки BiCuSeO составили около 11,5 мОм · см и 204 мкВ / К, в результате чего коэффициент мощности составил около 0,36 мВт / мК ² . Непрофильная теплопроводность этого образца пленки была измерена с помощью тонкопленочного лазерного импульсного анализатора Linseis (TF-LFA) и составила около 0,24 Вт / мК при комнатной температуре.

Измерение эффекта LITT

Для измерения LITT-эффекта два индиевых электрода, расположенных на расстоянии около 8 мм друг от друга, были нанесены на поверхность пленки вдоль x направление оси, как показано на рис. 1а. Импульсный лазер 308 нм с плотностью энергии 0,2 мДж / мм ² и ксеноновая лампа с удельной мощностью 350 мВт / см ² использовались в качестве источников света. Чтобы избежать эффекта Дембера, световое пятно (3 мм × 5 мм) на пленке располагалось в центре между двумя электродами. Сигналы напряжения LITT регистрировались цифровым осциллографом с оконечной нагрузкой 1 МОм (Agilent DSO9254A) и измерителем источника 2700 Keithley для импульсного и непрерывного светового излучения соответственно.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1b представлено изображение ПЭМВР пленки BiCuSeO, выращенной на 20-градусном разрезе LaAlO ₃ . (001) субстрат. Хорошо видно, что пленка нарастает по c -axis и его c - ось наклонена примерно на 20 ° от нормали к поверхности пленки. На рис. 1c и d показаны изображения поверхности слоя AuNP толщиной 4 и 7 нм соответственно. AuNP образуют сплошной слой золота, в котором AuNP контактируют друг с другом, но не сплавляются полностью. Средний размер AuNP составляет менее 10 нм для слоя AuNP толщиной 4 нм, и он увеличивается при увеличении толщины пленки до 7 нм. Измерение XRD обоих слоев AuNPs не показывает явного дифракционного пика от Au, что указывает на аморфность слоя AuNPs. На рис. 1e представлено изображение поперечного сечения границы раздела AuNPs (7 нм) / BiCuSeO, полученное методом ПЭМВР, что указывает на хороший контакт между AuNPs и поверхностью пленки BiCuSeO. Мы полагаем, что очень тонкая толщина слоя AuNPs, а также хорошая граница раздела AuNPs / BiCuSeO будут полезны для подавления времени тепловой релаксации подводимой тепловой энергии в эффекте LITT, что будет очень важно для импульсного излучения света. Рисунок 1f демонстрирует ток-напряжение ( I - V ) кривые между двумя электродами на наклонной пленке BiCuSeO, линейная проводимость которых подтверждает идеальные омические контакты между электродом и пленкой. На вставке к рис. 1е показано сопротивление AuNP / BiCuSeO. Оно уменьшается с 3,2 кОм для чистого BiCuSeO до 3,02 кОм для AuNP / BiCuSeO толщиной 4 нм и до 2,25 кОм для AuNP / BiCuSeO толщиной 7 нм. Предполагается, что снижение сопротивления связано с вкладом слоя AuNPs. По мере увеличения толщины слоя AuNPs он становится более электропроводным, что приводит к снижению сопротивления всей структуры AuNP / BiCuSeO.

а Схематическое изображение LITT-эффекта в c -осевая наклонная пленка, покрытая слоем AuNP. б HRTEM-изображение пленки BiCuSeO, выращенной на 20 ° разрезах LaAlO ₃ (001) субстрат. c - г СЭМ-изображения слоя AuNP толщиной 4 и 7 нм соответственно. е ПЭМ-изображение образца AuNP (7 нм) / BiCuSeO. е Я - V кривые между двумя индиевыми электродами на разных образцах. На вставке - изменение сопротивления образцов AuNPs / BiCuSeO в зависимости от толщины слоя AuNP

На рис. 2а показан спектр поглощения света пленкой BiCuSeO до и после нанесения слоя AuNPs. Введение слоя AuNP толщиной в несколько нанометров приводит лишь к небольшому увеличению поглощения света из-за высокого пропускания сверхтонкого слоя AuNP. Для большей информации спектр поглощения света слоями AuNP толщиной 4 и 7 нм также представлен на вставке к рис. 2а. Пик около 280 нм (~ 4,4 эВ) обусловлен межзонным переходом, который соответствует L-щели золота [28]. Здесь следует отметить, что AuNP в ультратонком слое не разделены, а находятся в контакте друг с другом. Поэтому мы не наблюдали пик плазмонного резонанса AuNP около 550 нм, а также спектральный сдвиг между пиками двух слоев при увеличении количества золота.

а Спектры поглощения света чистых образцов BiCuSeO и AuNPs (7 нм) / BiCuSeO. На вставке - спектры поглощения света слоем Au толщиной 4 и 7 нм. б Кривые нагрева чистых образцов BiCuSeO и AuNPs / BiCuSeO при освещении ксеноновой лампой

Чтобы оценить влияние такого ультратонкого слоя AuNPs на эффективность фототермического преобразования пленок BiCuSeO, мы измерили кривые нагрева чистого BiCuSeO, а также образцов AuNPs / BiCuSO при облучении ксеноновой лампой, которые показаны на рис. 2б. . Хорошо видно, что ультратонкий слой AuNPs очень эффективен для повышения эффективности фототермического преобразования пленки BiCuSeO, несмотря на небольшое увеличение поглощения света. Установившаяся температура поверхности образца увеличивается с 52 ° C для чистого BiCuSeO до 55 ° C для слоя AuNP / BiCuSeO толщиной 4 нм и до 58 ° C для слоя AuNP / BiCuSeO толщиной 7 нм. Вероятно, это связано с тем, что теплоемкость C _p AuNP (27 Джмоль ⁻¹ К ^-1 ) намного меньше, чем у BiCuSeO (99,5 Джмоль ⁻¹ К ^-1 ), что приводит к более высокому повышению температуры при поглощении аналогичного количества световой энергии [29, 30]. Кроме того, введение аморфного слоя AuNP может снизить потери на отражение света на гладкой поверхности пленки BiCuSeO. Все эти эффекты в сумме увеличивают вертикальный градиент температуры, установленный в пленке BiCuSeO.

На рис. 3 показаны зависимости напряжения наклонных пленок BiCuSeO с покрытием ультратонкого слоя AuNP и без него при освещении ксеноновой лампой. При включении света во всех образцах обнаруживаются сигналы напряжения холостого хода. Кроме того, величина сигнала светоиндуцированного напряжения В _p , значительно возрастает после введения ультратонкого слоя AuNPs. Например, для пленки BiCuSeO со слоем AuNP толщиной 4 нм значение V _p составляет 0,27 мВ, что примерно в два раза больше, чем у голой пленки (0,13 мВ). Этот результат показывает, что сверхтонкий слой AuNP толщиной в несколько нанометров может значительно повысить чувствительность к напряжению R _s эффекта ЛИТТ при непрерывном световом излучении.

Отклики по напряжению чистых образцов BiCuSeO и AuNPs / BiCuSeO при ксеноновом освещении

Чтобы проверить, эффективен ли ультратонкий слой AuNP также в случае импульсного светового излучения, мы провели LITT-измерения, используя импульсный лазер с длиной волны 308 нм в качестве источника света. На рис. 4а показаны зависимости напряжения образцов пленки от импульсного светового излучения. Импульсный сигнал индуцированного светом напряжения в наклонной пленке BiCuSeO также значительно усиливается после нанесения на ультратонкий слой AuNP. Значение V _p увеличивается с 3,8 В для чистого BiCuSeO до 8,1 В для пленки, покрытой слоем AuNP толщиной 4 нм, что приводит к улучшению на R _s от 1,3 до 2,7 В / мДж, как показано на рис. 4b. В дополнение к R _s , время затухания τ _d , всегда получаемый путем подбора части затухания индуцированного сигнала напряжения, является еще одним важным параметром для оценки характеристик эффекта LITT для импульсного лазерного источника. Понятно, что τ _d на рис. 4b монотонно уменьшается с 1,5 мкс для чистого BiCuSeO до 0,8 мкс для AuNP / BiCuSeO толщиной 7 нм. Уменьшение τ _d отличается от приведенного в отчете, и это может быть вызвано ультратонкой структурой, а также эффектом электрической связности слоя AuNP.

а Отклики напряжения чистых образцов BiCuSeO и AuNPs / BiCuSeO при импульсном лазерном облучении с длиной волны 308 нм. б Чувствительность по напряжению R _s и время затухания τ _d этих напряжений

Здесь следует отметить, что как при непрерывном, так и при импульсном облучении светом значение R _s показывает тенденцию к снижению, когда толщина слоя AuNPs увеличивается до 7 нм, хотя она все еще выше, чем исходное значение, полученное для голой пленки. Такое поведение может быть связано с параллельным действием слоя AuNPs. Известно, что подключение параллельного резистора с малым сопротивлением в измерительной цепи приведет к уменьшению V _p и более быстрое время отклика [8, 10, 30]. В данной работе ультратонкий слой AuNPs можно рассматривать как резистор, включенный параллельно пленке BiCuSeO. С увеличением толщины слоя AuNP с 4 до 7 нм его сопротивление уменьшается с 54 до 7,6 кОм. Как показано на рис. 5, подключение резистора 7,6 кОм параллельно пленке BiCuSeO действительно приводит к уменьшению как амплитуды, так и времени затухания τ _d сигнала выходного напряжения. Чтобы проверить рациональность объяснения, мы также провели измерение LITT на образце со слоем AuNP толщиной 20 нм при освещении импульсным лазером 308 нм:здесь слой AuNPs сплошной и показывает меньшее сопротивление в сравнение с пленкой толщиной 4 или 7 нм. По мере увеличения толщины слоя AuNP значения V _p а также τ _d продолжать опускаться (как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S2).

Отклики по напряжению чистого BiCuSeO при импульсном лазерном облучении 308 нм до и после параллельного подключения резистора 7,6 кОм

Выводы

В заключение, ультратонкий светопоглощающий слой AuNPs толщиной в несколько нанометров был введен для улучшения чувствительности к напряжению эффекта LITT в c -осевая наклонная пленка BiCuSeO. В обоих случаях при непрерывном и импульсном световом облучении величина сигнала выходного напряжения ( V _p ) эффекта ЛИТТ увеличивалось более чем в два раза после напыления слоя AuNP толщиной 4 нм на наклонную пленку BiCuSeO. Это можно объяснить повышенной эффективностью фототермического преобразования структуры AuNPs / BiCuSeO. Однако, когда толщина слоя AuNP стала больше, усиление эффекта электрической связности слоя AuNP подавило дальнейшее улучшение R _s . Эти результаты могут послужить полезным руководством для разработки высокопроизводительных оптических детекторов теплового типа, основанных на эффекте ЛИТТ.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

τ _d :

Время спада наведенного напряжения

AuNP:

Наночастицы золота

HRTEM:

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

LITT:

Светоиндуцированный поперечный термоэлектрический

R _s :

Чувствительность по напряжению

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

V _p :

Величина наведенного напряжения