近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所功能材料物理與器件研究部在激光能量探測異質(zhì)結(jié)器件構(gòu)筑方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 124, 071105 (2024))。

各向異性熱電材料是一種在晶體學(xué)面內(nèi)和面外方向具有不同熱電勢的材料。利用脈沖激光的瞬態(tài)熱效應(yīng)可在這些材料中產(chǎn)生激光誘導(dǎo)電壓效應(yīng)（laser induced voltage effect），因而可設(shè)計出激光能量探測器件，實現(xiàn)脈沖激光能量密度的精確測量。

研究人員發(fā)現(xiàn)層狀Bi2Sr2CuOy（Bi-2201）薄膜可通過扭轉(zhuǎn)45度角的方式沿鈣鈦礦型單晶基板外延生長。層狀Bi-2201薄膜不僅表現(xiàn)出較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（~15K），且其面內(nèi)和面外熱電勢具有高度各向異性。在斜切0、5和10度的鋁酸鑭單晶基板上可誘導(dǎo)生長傾角為0、5和10度的Bi-2201薄膜。基于上述生長的薄膜可構(gòu)筑出脈沖激光能量探測原型器件（圖1）。當(dāng)脈沖激光輻照薄膜時，將在薄膜面間形成溫度梯度ΔT，進(jìn)而在面內(nèi)形成電勢差產(chǎn)生脈沖電壓信號。

研究結(jié)果表明，傾角為5度的Bi-2201薄膜響應(yīng)紫外脈沖激光（248 nm）產(chǎn)生的峰值電壓達(dá)到25伏特，對應(yīng)的響應(yīng)時間為60納秒（圖2）。分析系列實驗結(jié)果得出該激光能量探測原型器件的經(jīng)驗公式（E=0.67Vp-10.98），可直接通過讀取電壓的方式獲得待測脈沖激光的能量密度。此外，研究人員通過數(shù)次脈沖激光輻照測試表明該原型器件表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性?；贐i-2201薄膜異質(zhì)結(jié)的成功構(gòu)筑將為脈沖激光能量探測器件的設(shè)計提供實驗依據(jù)。

該工作中，薄膜外延生長技術(shù)是構(gòu)建激光能量探測器件的關(guān)鍵。區(qū)別于磁控濺射和脈沖激光等沉積技術(shù)，溶液法沉積技術(shù)是一種無需真空環(huán)境即可獲得高質(zhì)量薄膜的有效方法。課題組近年來采用該方法獲得了多種高質(zhì)量薄膜并構(gòu)筑了相關(guān)原型器件，包括空穴型透明導(dǎo)電薄膜（Appl. Phys. Lett. 121, 171902 (2022)，Appl. Phys. Lett. 112, 251109 (2018)）、電子型透明導(dǎo)電薄膜（Appl. Phys. Lett. 115, 162105 (2019)，Appl. Phys. Lett. 106, 101906 (2015)）、磁性薄膜（Appl. Phys. Lett. 109, 152406 (2016)）、介電電容器儲能薄膜（Appl. Phys. Lett. 121, 263903 (2022)，Appl. Phys. Lett. 115, 243901 (2019)，Appl. Phys. Lett. 113, 183902 (2018)，Appl. Phys. Lett. 112, 033904 (2018)，Appl. Phys. Lett. 111, 183903 (2017)）等。

圖1. 激光能量探測原型器件及薄膜異質(zhì)結(jié)外延方式示意圖。

圖2. 激光能量探測異質(zhì)結(jié)器件微結(jié)構(gòu)、激光誘導(dǎo)電壓性能及原型器件穩(wěn)定性。

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點研發(fā)計劃項目和合肥物質(zhì)院院長改革專項基金的資助。      相關(guān)論文鏈接：

1.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/124/7/071105/3262927

2.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/121/26/263903/2834913

3.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/121/17/171902/2834447

4.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/115/24/243901/37901

5.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/115/16/162105/37568

6.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/113/18/183902/35959

7.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/112/3/033904/36221

8.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/112/25/251109/35709

9.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/111/18/183903/34200

10. https://pubs.aip.org/aip/apl/article/109/15/152406/32136

11.https://pubs.aip.org/aip/apl/article/106/10/101906/236631