一种基于硒化锡薄膜横向热电效应的光、热探测器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于硒化锡薄膜横向热电效应的光、热探测器，包括探测元件、金属电极和金属引线；所述探测元件包括氧化物单晶基片和沉积在所述氧化物单晶基片上且c轴倾斜生长的硒化锡单晶薄膜；在所述硒化锡单晶薄膜的上表面对称设置有两个金属电极，所述金属电极经由所述金属导线与电压表输入端相连接。本发明专利技术采用脉冲激光沉积技术将二元材料硒化锡沉积在基片上，得到c轴倾斜生长的硒化锡单晶薄膜，并利用其横向热电效应制得了光、热探测器。该探测器的探测元件结构简单，无需制冷、偏压部件，制备工艺简便，成本低，所得到的光、热探测器响应波段宽，探测灵敏度高，在连续光辐照下探测性能优异，能够同时实现光和热的探测。

A light and heat detector based on the transverse thermoelectric effect of tin selenide thin film

The invention provides a tin selenide thin film thermoelectric effect of transverse light and heat detector based on detecting element, including a metal electrode and a metal wire; the detecting element comprises an oxide single crystal substrate and deposited on the oxide substrate and C axis tin selenide single crystal thin film growth in symmetrical tilt; the surface of the tin selenide single crystal thin film is provided with two metal electrodes, the metal electrodes via the metal wire and the voltmeter is connected with the input end. The two element tin selenide is deposited on the substrate by pulsed laser deposition technology. The single crystal thin film of tin selenide grown on the c axis is obtained, and the photothermal detector is made by transverse thermoelectric effect. The detecting element structure of the detector is simple, without refrigeration, bias components, simple preparation process, low cost, the optical and thermal detector wide response wave band, high sensitivity, continuous light irradiation in the detection performance and detection can be realized at the same time light and heat.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硒化锡薄膜横向热电效应的光、热探测器
本专利技术涉及一种光、热探测器，具体地说是涉及一种基于硒化锡薄膜横向热电效应的光、热探测器。
技术介绍
当一束光或热源辐照到具有c轴倾斜结构（即薄膜的c轴方向和薄膜表面法线方向有一个夹角）的薄膜表面上时，薄膜上下表面会立即建立起一个温差ΔTz，如果该薄膜材料的塞贝克系数存在各向异性，则可以在薄膜表面探测到一个与温差相垂直的开路电压信号。这种温差和因温差产生的电压相互垂直的热电效应称之为横向热电效应。基于横向热电效应可以设计制作光、热探测器，探测器的输出电压可以表示为：，式中，l和d分别为被辐照的薄膜长度和薄膜厚度；α是薄膜c轴的倾斜角度，即薄膜c轴方向和薄膜表面法线方向的夹角；ΔS=Sab-Sc是薄膜ab面和c轴方向塞贝克系数的差值。基于薄膜横向热电效应设计制作的光探测器具有电路结构简单，无需外加偏压和制冷部件，响应波段宽（从紫外一直到远红外），响应时间快等优势。然而，目前这类探测器所用的探测元件均为结构复杂的多元氧化物薄膜，如钇钡铜氧、镧钙锰氧、铋锶钴氧等薄膜，制备工艺流程多、成本高，且在连续激光辐照下，探测器的性能较差。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种基于硒化锡薄膜横向热电效应的光、热探测器，以解决现有探测器在连续激光辐照下性能待提高，探测元件制备工艺流程繁琐、成本高的问题。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于硒化锡薄膜横向热电效应的光、热探测器，包括探测元件、金属电极和金属引线；所述探测元件包括氧化物单晶基片和沉积在所述氧化物单晶基片上且c轴倾斜生长的硒化锡单晶薄膜；在所述硒化锡单晶薄膜的上表面对称设置有两个金属电极，所述金属电极经由所述金属导线与电压表输入端相连接。所述硒化锡单晶薄膜的厚度为10nm~1μm。可选地，所述硒化锡单晶薄膜的厚度为100nm~1μm。所述硒化锡单晶薄膜的c轴方向与所述硒化锡单晶薄膜表面法线方向的夹角为0°~45°。可选地，硒化锡单晶薄膜的c轴方向与所述硒化锡单晶薄膜表面法线方向的夹角为10°~15°。所述硒化锡单晶薄膜是通过脉冲激光沉积技术制备而成，所用激光靶材为硒化锡多晶靶。所述硒化锡多晶靶的制备步骤包括下述步骤：按照化学式SnSe的原子摩尔计量比称量单质Sn和Se粉末，混合，得到混合物料；将混合物料进行球磨；将球磨后的物料压制成厚度为5~20mm、直径为20~50mm的圆片；利用真空封管技术将所述圆片封装在石英管中，采用固相烧结工艺进行烧结，即可得到硒化锡多晶靶。具体地，将混合物料放进真空球磨罐内，并在球磨机中研磨12h；将研磨后的物料压制成厚度为5~20mm、直径为20~50mm的圆片；利用真空封管技术将所述圆片封装在石英管中，以1℃/min的速度升温至230℃，保持10h，再以1℃/min升温至360℃，保持10h，自然冷却，即可得到硒化锡多晶靶。在进行硒化锡单晶薄膜沉积之前，将脉冲激光沉积腔体本底真空抽至10-4~10-8Pa，然后用纯度为99.999%的氩气清洗腔体3~5遍，再抽至10-4~10-8Pa。所述脉冲激光沉积硒化锡单晶薄膜的条件为：激光波长308nm，激光线宽20ns，激光频率5Hz，激光能量密度1~1.5mJ/cm2，氩气压强0.01~20Pa，氩气纯度99.999%，所述氧化物单晶基片的温度为100~400℃，所述氧化物单晶基片和所述硒化锡多晶靶材的距离为50mm。所述氧化物单晶基片为c轴斜切的LaAlO3单晶、SrTiO3单晶或MgO单晶，c轴斜切角度为0°~45°，晶向公差为±0.5o，表面粗糙度<5Å。所述金属电极为Pt、Au、Ag或In，两个所述金属电极之间的间距为2~15mm。所述金属引线为Au、Ag或Cu漆包线，其直径为0.05~0.2mm。本专利技术采用脉冲激光沉积技术将二元材料硒化锡沉积在c轴斜切的基片上，得到c轴倾斜生长的硒化锡单晶薄膜，并利用其横向热电效应制得了光、热探测器。该探测器的探测元件结构简单，无需制冷、偏压部件，制备工艺简便，成本低，所得到的光、热探测器响应波段宽，探测灵敏度高，在连续光辐照下探测性能优异，能够同时实现光和热的探测。附图说明图1为本专利技术光、热探测器的结构示意图。图中，1、硒化锡薄膜，2、氧化物单晶基片，3、基片倾角α，4、金属电极，5、金属引线，6、探测光束，7、电压表。图2为实施例1所制备硒化锡薄膜的XRD谱图，其中，右上角附图为进行X射线衍射表征时，X射线源、探测器与硒化锡薄膜的位置示意图。图3为在308nm脉冲光辐照下，实施例1所制备的光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。图4为532nm和808nm连续激光辐照下，实施例1所制备的光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。图5为532nm和808nm连续激光辐照下，实施例4所制备的光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。图6为在电烙铁热辐射下，实施例4所制备的光、热探测器的输出电压-时间响应曲线。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本专利技术的保护范围。实施例中所用试剂均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。下述实施例均实现了本专利技术的目的。实施例1如图1所示，本专利技术基于硒化锡薄膜横向热电效应的光、热探测器包括探测元件、金属电极4和金属引线5，探测元件包括氧化物单晶基片2和沉积在氧化物单晶基片2上的硒化锡薄膜1，在硒化锡薄膜1的上表面对称设置有两个金属电极4，两个金属电极4通过金属引线5与电压表7的输入端相连接。用探测光束6照射探测器的表面，利用电压表7记录其电压信号的变化。该光、热探测器的制备方法包括如下步骤：（1）探测元件的制备在c轴10°倾斜的LaAlO3单晶基片制备一层厚度为100nm、c轴倾斜生长的硒化锡薄膜，薄膜为外延生长，薄膜c轴和薄膜表面法线的夹角与单晶基片的倾角相同，亦为10°。具体制备过程如下：按照化学式SnSe的原子摩尔计量比称量单质Sn和Se粉末，混合后得到混合物料。将混合物料放入真空球磨罐内，在球磨机中研磨12h；将研磨后的物料压制成厚度为5mm、直径为30mm的圆片。利用真空封管技术将前述圆片封装在石英管中，然后以1℃/min的速度升温至230℃，保持10h，再升温至360℃，保持10h，之后自然冷却，得到所需的硒化锡多晶靶。将所得到的硒化锡多晶金属靶放入到PLD腔体中，在进行硒化锡单晶薄膜沉积之前，将脉冲激光沉积腔体本底真空抽至10-4~10-8Pa，然后用纯度为99.999%的氩气清洗腔体3~5遍，再抽至10-4~10-8Pa。采用脉冲激光沉积技术，在c轴斜切10°的LaAlO3单晶基片上生长c轴取向的硒化锡薄膜，沉积条件为：激光波长308nm，激光线宽20ns，激光频率5Hz，激光能量密度1~1.5mJ/cm2，氩气压强0.1Pa，氩气纯度99.999%，基片温度300℃，基片和靶材距离50mm。薄膜沉积完毕后，控制PLD腔体的压强为10-3~10-4Pa，自然冷却至室温，即可得到在LaAlO3单晶基片上生长的c轴10°倾斜的硒化锡薄膜。对所得的硒化锡薄膜材料进行X射线衍射表征，表征时X射线源、探测器与硒化锡薄膜的位置示意图如图2右上角附图所示，其中，设置X射线源和探测器与水平面的初始夹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硒化锡薄膜横向热电效应的光、热探测器，包括探测元件、金属电极和金属引线；其特征在于，所述探测元件包括氧化物单晶基片和沉积在所述氧化物单晶基片上且c轴倾斜生长的硒化锡单晶薄膜；在所述硒化锡单晶薄膜的上表面对称设置有两个金属电极，所述金属电极经由所述金属导线与电压表输入端相连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于硒化锡薄膜横向热电效应的光、热探测器，包括探测元件、金属电极和金属引线；其特征在于，所述探测元件包括氧化物单晶基片和沉积在所述氧化物单晶基片上且c轴倾斜生长的硒化锡单晶薄膜；在所述硒化锡单晶薄膜的上表面对称设置有两个金属电极，所述金属电极经由所述金属导线与电压表输入端相连接。2.根据权利要求1所述的光、热探测器，其特征在于，所述硒化锡单晶薄膜的厚度为10nm~1μm。3.根据权利要求1或2所述的光、热探测器，其特征在于，所述硒化锡单晶薄膜的c轴方向与所述硒化锡单晶薄膜表面法线方向的夹角为0°~45°，且该角度与所述氧化物单晶基片的晶向倾斜角度相等。4.根据权利要求1或2所述的光、热探测器，其特征在于，所述硒化锡单晶薄膜是通过脉冲激光沉积技术制备而成，所用靶材为硒化锡多晶靶。5.根据权利要求4所述的光、热探测器，其特征在于，所述硒化锡多晶靶的制备步骤包括下述步骤：按照化学式SnSe的原子摩尔比称量单质Sn和Se粉末，混合；将混合物料进行球磨；将球磨后的物料压制成厚度为5~20mm、直径为20~50mm的圆片；利用真空封管技术将所述圆片封装在石英管中，采用固相烧结工艺进行烧结，即可得到硒化锡...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫国英，候帅航，王沁怡，王凌云，王淑芳，傅广生，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：河北,13