Verbeterd door licht geïnduceerd transversaal thermo-elektrisch effect in gekantelde BiCuSeO-film via de ultradunne AuNPs-laag

Abstract

Aanzienlijke verbetering van het door licht geïnduceerde transversale thermo-elektrische (LITT) effect in gekantelde BiCuSeO-film is bereikt door de introductie van een ultradunne laag gouden nanodeeltjes (AuNP's) met een dikte van enkele nanometers. In beide gevallen van gepulseerde en continue lichtbestraling wordt ongeveer twee keer een toename in de LITT-spanningsgevoeligheid waargenomen voor de BiCuSeO-film die is gecoat met een 4-nm dikke AuNPs-laag. Dit kan worden toegeschreven aan de verhoogde fotothermische conversie-efficiëntie in het LITT-effect als gevolg van het efficiënte gebruik van het invallende licht van de AuNPs-laag. Een dikkere AuNPs-laag onderdrukt de toename van de spanningsgevoeligheid vanwege het elektrische connectiviteitseffect. Dit werk biedt een effectieve strategie voor het optimaliseren van de prestaties van optische detectoren van het thermische type op basis van het LITT-effect.

Inleiding

Lichtgeïnduceerd transversaal thermo-elektrisch (LITT) effect is een speciaal thermo-elektrisch fenomeen waarbij de elektrische en warmtefluxen in het materiaal loodrecht op elkaar staan. Dit effect is afkomstig van de anisotropie van de Seebeck-coëfficiënt en kan alleen worden gedetecteerd in gekantelde structuren [1, 2]. Zoals getoond in Fig. 1a, wanneer het oppervlak van een c -as gekantelde film wordt verlicht door licht, een temperatuurverschil ΔT _z tussen het filmoppervlak en de bodem wordt gevormd langs de z -as vanwege de absorptie van invallend licht, wat resulteert in een thermisch spanningssignaal V _x langs de x -as richting. De geïnduceerde spanning V _x kan worden uitgedrukt als:

$$ {V}_x=\frac{l}{2d}\sin \left(2\alpha \right)\cdot \varDelta S\cdot \varDelta {T}_z $$ (1)

waar l , d , en α zijn de diameter van de lichtvlek op de film, de filmdikte en de hellingshoek van de c- as ten opzichte van de normaal van het filmoppervlak. ΔS =S _ab − S _c is het verschil van de Seebeck-coëfficiënt in ab -vliegtuig en langs de c -asrichting van de film [2].

In de afgelopen jaren heeft het LITT-effect veel aandacht getrokken vanwege de mogelijke toepassingen in de zelfaangedreven ongekoelde optische detectoren. Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar gekantelde films van YBa₂ Cu₃ O_7-δ , La_1-x Ca_x MnO₃ , Ca_x CoO₂ , Twee₂ Sr₂ Co₂ O_j , La_0.9 Sr_0.1 NiO₃ , SrTi_1−x Nb_x O₃ , enz. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]. De spanningsgevoeligheid R _s , wat wordt gedefinieerd als de verhouding van de uitgangsspanningsamplitude V _p naar de invallende lichtenergie E bestraald op de film, verkregen uit deze films is nog niet voldoende voor praktische toepassingen in optische detectoren. Onlangs, om R . te verbeteren _s , werd door Takahashi et al. een laag goudzwarte of koolstofnanobuisjes met een dikte van enkele micrometers (μm) op het filmoppervlak aangebracht. en Wang et al. [15,16,17,18]. De goudzwarte of koolstofnanobuisjeslaag kan fungeren als de lichtabsorptielaag, wat naar verwachting de fotothermische conversie-efficiëntie van het LITT-effect zal verbeteren en de waarde van ΔT zal verhogen. _z . Deze strategie bleek zeer effectief te zijn voor continue lichtbestraling. Terwijl voor bestraling met gepulseerd licht de introductie van een micrometer dikke lichtabsorptielaag resulteerde in een significante verslechtering van R _s , terugbrengend tot slechts ongeveer 0,5% van de oorspronkelijke waarde. Hoewel de micrometer-dikke lichtabsorptielaag het gebruik van het invallende licht verhoogt, onderdrukt het in hoge mate de ingevoerde thermische energie van de gepulseerde lichtstraling vanwege de buitensporig verlengde thermische relaxatietijd in het hele systeem, wat uiteindelijk leidt tot een verminderde ΔT _z [15]. De ultradunne gouden nanodeeltjes (AuNP's)-laag speelt een vrij belangrijke rol in de materiaalwetenschap vanwege zijn unieke chemische en fysische eigenschappen, die op grote schaal is gebruikt op veel gebieden, zoals fotonica, zonne-oogst, biologische detectie, oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing , en moleculaire spectroscopie toepassingen [19,20,21]. In dit artikel hebben we het gebruik onderzocht van een ultradunne AuNPs-laag, met een dikte van 4-7 nm, als lichtabsorptielaag om de spanningsgevoeligheid te verbeteren R _s van LITT-effect in de gekantelde film van BiCuSeO. Deze verbinding is een nieuw veelbelovend thermo-elektrisch materiaal met een anisotrope gelaagde structuur [22,23,24,25], waardoor het een goede kandidaat is voor de studie van het LITT-effect [26, 27]. Omdat het thermische relaxatieproces in de ultradunne AuNPs-laag erg snel is en kan worden genegeerd, wordt het thermische relaxatieproces in het huidige AuNPs/BiCuSeO-systeem nog steeds bepaald door BiCuSeO-film. In beide gevallen van continue en gepulseerde bestraling, ongeveer twee keer in stappen van R _s is bereikt door een 4 nm dikke AuNPs-laag op de BiCuSeO-film te sputteren. Wanneer de dikte van de AuNPs-laag toeneemt tot ongeveer 7 nm, kan de bijdrage van de AuNPs-laag aan de soortelijke weerstand van de hele structuur (Au/BiCuSeO) niet meer worden genegeerd vanwege de goede elektrische geleidbaarheid, die de toename van onderdrukt. R _s .

Methoden

Voorbereiding van BiCuSeO-film en AuNPs-laag

In dit werk, c- as gekantelde BiCuSeO-films met een dikte van ongeveer 150 nm werden vervaardigd met behulp van een 308-nm gepulseerde laserablatie van het BiCuSeO-keramische doelwit onder een atmosfeer van zeer zuiver argon. De gekantelde hoek van de film werd geregeld door de verkeerd gesneden hoek van het substraat. Hier, 20° miscut (001) LaAlO₃ eenkristalsubstraten werden gebruikt. Details van filmfabricage en structurele karakterisering zijn te vinden in onze eerdere artikelen [25,26,27]. AuNPs-laag, met een dikte van respectievelijk 4 en 7 nm, werd door middel van sputtertechniek op de gekantelde BiCuSeO-film gecoat. Tijdens het sputterproces werd de Ar-gasdruk in de kamer ingesteld op 0,1 Pa, werd de substraattemperatuur op 300 K gehouden en was de sputterstroom 6 mA.

Karakterisering

SEM en HRTEM werden gebruikt om oppervlakte- en dwarsdoorsnedebeelden van de AuNPs-laag te illustreren. Om de lichtabsorptie- en fotothermische conversiekenmerken van de BiCuSeO-film en de ultradunne AuNPs-laag te schatten, werden de lichtabsorptiespectra van de kale BiCuSeO, AuNPs-laag en AuNPs/BiCuSeO gemeten met respectievelijk een Hitachi U-4100-spectrofometer. .

Thermo-elektrische prestaties

We voerden elektrische weerstand uit ρ en Seebeck-coëfficiënt S metingen op de BiCuSeO-film met een dragerdichtheid van ongeveer 6,6 × 10⁻¹⁹ cm⁻³ , zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1. Bij kamertemperatuur is de ab -vlakke elektrische weerstand en Seebeck-coëfficiënt van de BiCuSeO-film waren ongeveer 11,5 mΩ cm en 204 μV/K, wat resulteert in een arbeidsfactor van ongeveer 0,36 mW/mK² . De out-of-plane thermische geleidbaarheid van dit filmmonster werd gemeten door de Linseis dunne film Laser Flash Analyzer (TF-LFA), en het was ongeveer 0,24 W/mK bij kamertemperatuur.

LITT-effectmeting

Voor de meting van het LITT-effect werden twee indiumelektroden van ongeveer 8 mm op het filmoppervlak afgezet langs de x -asrichting, zoals getoond in Fig. 1a. Een gepulseerde laser van 308 nm met een energiedichtheid van 0,2 mJ/mm² en een Xenon-lamp met een vermogensdichtheid van 350 mW/cm² werden gebruikt als lichtbronnen. Om het Dember-effect te voorkomen, bevond de lichtvlek (3 mm × 5 mm) op de film zich in het midden tussen twee elektroden. De LITT-spanningssignalen werden geregistreerd door een digitale oscilloscoop afgesloten op 1 MΩ (Agilent DSO9254A) en een 2700 Keithley-bronmeter voor respectievelijk gepulseerde en continue lichtbestraling.

Resultaten en discussie

Figuur 1b toont het HRTEM-beeld van BiCuSeO-film gegroeid op een 20° verkeerd gesneden LaAlO₃ (001) substraat. Het is duidelijk te zien dat de film groeit langs de c -as en zijn c -as is ongeveer 20° gekanteld van de normaal van het filmoppervlak. Figuur 1c en d geven de SEM-oppervlaktebeelden weer van respectievelijk de 4- en 7-nm dikke AuNPs-laag. De AuNP's vormen een doorlopende goudlaag, waarin de AuNP's met elkaar in contact staan maar niet volledig versmolten zijn. De gemiddelde grootte van AuNP's is minder dan 10 nm voor de 4-nm dikke AuNP-laag, en wordt groter wanneer de dikte van de film toeneemt tot 7 nm. XRD-meting van beide AuNPs-lagen toont geen duidelijke diffractiepiek van Au, wat wijst op een amorf kenmerk van de AuNPs-laag. Figuur 1e geeft het HRTEM-beeld van de dwarsdoorsnede van de AuNP's (7 nm) / BiCuSeO-interface weer, wat het goede contact aangeeft tussen de AuNP's en het BiCuSeO-filmoppervlak. We zijn van mening dat de zeer dunne dikte van de AuNPs-laag en de goede AuNPs/BiCuSeO-interface nuttig zullen zijn voor het onderdrukken van de thermische relaxatietijd van de ingangswarmte-energie in het LITT-effect, wat erg belangrijk zal zijn voor de bestraling met gepulseerd licht. Figuur 1f toont de stroom-spanning (I -V ) krommen tussen twee elektroden op de gekantelde BiCuSeO-film, waarin lineair geleidend gedrag perfecte Ohmse contacten tussen de elektrode en de film bevestigt. De inzet van Fig. 1f toont de weerstand van AuNPs/BiCuSeO. Het daalt van 3,2 KΩ voor kale BiCuSeO tot 3,02 KΩ voor 4-nm dikke AuNPs/BiCuSeO en 2,25 KΩ voor 7 nm dikke AuNPs/BiCuSeO. Er wordt gesuggereerd dat de vermindering van de weerstand afkomstig is van de bijdrage van de AuNPs-laag. Naarmate de dikte van de AuNPs-laag toeneemt, wordt deze meer elektrisch geleidend, wat resulteert in een verminderde weerstand van de hele AuNPs/BiCuSeO-structuur.

een Schematische weergave van het LITT-effect in een c -as gekantelde film gecoat met AuNP-laag. b HRTEM-beeld van een BiCuSeO-film gegroeid op 20° verkeerd gesneden LaAlO₃ (001) substraat. c –d SEM-beelden van de AuNP-laag met een dikte van respectievelijk 4 en 7 nm. e HRTEM-beeld van het monster van AuNP (7 nm)/BiCuSeO. v Ik –V krommen tussen twee indiumelektroden op verschillende monsters. De inzet is de variatie in weerstand van AuNPs/BiCuSeO-monsters met de AuNP-laagdikte

Figuur 2a toont het lichtabsorptiespectrum van BiCuSeO-film voor en na het coaten van de AuNPs-laag. De introductie van een paar nanometer dikke AuNP-laag leidt door de hoge transmissie van de ultradunne AuNPs-laag slechts tot een geringe toename van de lichtabsorptie. Om meer informatie te geven, wordt het lichtabsorptiespectrum van de 4 en 7 nm dikke AuNPs-lagen ook weergegeven in de inzet van figuur 2a. De piek bij ongeveer 280 nm (~ 4,4 eV) is afkomstig van de overgang tussen de banden, wat overeenkomt met de L-gap van goud [28]. Hierbij moet worden vermeld dat de AuNP's in de ultradunne laag niet gescheiden zijn maar met elkaar in contact staan. Daarom hebben we de plasmonresonantiepiek van AuNP's rond 550 nm niet waargenomen, evenals de spectrale verschuiving tussen de toppen van de twee lagen bij het verhogen van de hoeveelheid goud.

een Lichtabsorptiespectra van kale BiCuSeO- en AuNP's (7 nm) / BiCuSeO-monsters. De inzet is de lichtabsorptiespectra van de Au-laag met een dikte van 4 nm en 7 nm. b Verwarmingscurves van kale BiCuSeO- en AuNPs/BiCuSeO-monsters onder de Xenon-lampverlichting

Om het effect van een dergelijke ultradunne AuNPs-laag op de fotothermische conversie-efficiëntie van BiCuSeO-films te schatten, hebben we de verwarmingscurves van kale BiCuSeO en AuNPs / BiCuSO-monsters gemeten op de bestraling van de xenonlamp, die worden getoond in Fig. 2b . Het is duidelijk te zien dat de ultradunne AuNPs-laag zeer effectief is voor het verbeteren van de fotothermische conversie-efficiëntie van de BiCuSeO-film, ondanks de kleine toename in de lichtabsorptie. De steady-state temperatuur van het monsteroppervlak stijgt van 52 °C voor kale BiCuSeO tot 55 °C voor 4-nm dikke AuNP-laag/BiCuSeO en 58 °C voor 7-nm dikke AuNP-laag/BiCuSeO. Dit is waarschijnlijk te wijten aan het feit dat de warmtecapaciteit C _p van AuNP's (27 Jmol⁻¹ K⁻¹ ) is veel kleiner dan die van BiCuSeO (99,5 Jmol⁻¹ K⁻¹ ), wat leidt tot een hogere temperatuurstijging bij het absorberen van een vergelijkbare hoeveelheid lichtenergie [29, 30]. Bovendien kan de introductie van de amorfe AuNP-laag het reflectieverlies van licht op het gladde BiCuSeO-filmoppervlak verminderen. Al deze effecten vormen samen een verhoging van de verticale temperatuurgradiënt die is vastgesteld in de BiCuSeO-film.

Figuur 3 illustreert de spanningsreacties van de gekantelde BiCuSeO-films met en zonder coating van de ultradunne AuNPs-laag bij de verlichting van een xenonlamp. Terwijl het licht wordt ingeschakeld, worden in alle monsters nullastspanningssignalen gedetecteerd. Bovendien is de grootte van het door licht geïnduceerde spanningssignaal, V _p , neemt aanzienlijk toe na de introductie van de ultradunne AuNPs-laag. Bijvoorbeeld, voor de BiCuSeO-film met de 4 nm dikke AuNPs-laag, de waarde van V _p is 0,27 mV, wat ongeveer twee keer groter is dan die van de blote film (0,13 mV). Dit resultaat laat zien dat de ultradunne AuNPs-laag van enkele nanometers dik de spanningsgevoeligheid aanzienlijk kan verbeteren R _s van het LITT-effect onder de continue lichtstraling.

Spanningsreacties van kale BiCuSeO- en AuNPs/BiCuSeO-monsters op een xenonverlichting

Om te controleren of de ultradunne AuNPs-laag ook effectief is bij gepulseerde lichtstraling, hebben we de LITT-metingen uitgevoerd met een 308 nm gepulseerde laser als lichtbron. Figuur 4a is de spanningsreacties van de filmmonsters op de gepulseerde lichtstraling. Het gepulseerde licht-geïnduceerde spanningssignaal in de gekantelde BiCuSeO-film wordt ook aanzienlijk verbeterd na het coaten van de ultradunne AuNPs-laag. De waarde van V _p neemt toe van 3,8 V voor kale BiCuSeO tot 8,1 V voor de film gecoat met de 4-nm dikke AuNP-laag, wat resulteert in een verbetering van R _s van 1,3 tot 2,7 V/mJ, zoals weergegeven in Fig. 4b. Naast R _s , vervaltijd τ _d , altijd verkregen door het verzwakkingsgedeelte van het geïnduceerde spanningssignaal aan te passen, is een andere belangrijke parameter om de kenmerken van het LITT-effect voor gepulseerde laserbronnen te evalueren. Het is duidelijk dat τ _d in Fig. 4b neemt monotoon af van 1, 5 s voor kale BiCuSeO tot 0,8 s voor 7 nm dikke AuNPs / BiCuSeO. De vermindering van τ _d verschilt van het rapport in, en het kan worden veroorzaakt door de ultradunne structuur en het elektrische connectiviteitseffect van de AuNPs-laag.

een Spanningsreacties van kale BiCuSeO- en AuNPs / BiCuSeO-monsters op een gepulseerde laserverlichting van 308 nm. b Spanningsgevoeligheid R _s en vervaltijd τ _d van deze spanningen

Hierbij moet worden opgemerkt dat in beide gevallen van continue en pulserende lichtinstraling de waarde van R _s vertoont een neerwaartse trend wanneer de dikte van de AuNPs-laag toeneemt tot 7 nm, hoewel deze nog steeds hoger is dan de oorspronkelijke waarde verkregen uit de blote film. Dit gedrag kan te wijten zijn aan het parallelle effect van de AuNPs-laag. Het is bekend dat het aansluiten van een parallelle weerstand met een kleine weerstand in het meetcircuit zal leiden tot een verminderde V _p en een snellere responstijd [8, 10, 30]. In dit werk kan de ultradunne AuNPs-laag worden beschouwd als een weerstand die parallel is geschakeld met de BiCuSeO-film. Naarmate de dikte van de AuNPs-laag toeneemt van 4 tot 7 nm, neemt de weerstand af van 54 tot 7,6 KΩ. Zoals getoond in Fig. 5 resulteert het parallel aansluiten van een weerstand van 7,6 KΩ aan de BiCuSeO-film inderdaad in de vermindering van zowel de amplitude als de vervaltijd τ _d van het uitgangsspanningssignaal. Om de rationaliteit van de verklaring te verifiëren, hebben we ook de LITT-meting uitgevoerd op een monster met een 20 nm dikke AuNPs-laag onder de verlichting van de 308 nm gepulseerde laser:hier is de AuNPs-laag continu en vertoont een kleinere weerstand in vergelijking met de 4 of 7 nm dikke film. Naarmate de dikte van de AuNPs-laag toeneemt, worden de waarden van V _p evenals τ _d blijven vallen (zoals te zien in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2).

Spanningsreacties van kale BiCuSeO op een 308 nm gepulseerde laserverlichting voor en na parallelle aansluiting van een 7,6 KΩ-weerstand

Conclusies

Concluderend werd een ultradunne AuNPs-lichtabsorptielaag met een dikte van enkele nanometers geïntroduceerd om de spanningsgevoeligheid van het LITT-effect in de c te verbeteren. -as gekantelde BiCuSeO film. In beide gevallen van continue en gepulseerde lichtinstraling is de grootte van het uitgangsspanningssignaal (V _p ) van het LITT-effect nam meer dan twee keer toe na het sputteren van een 4 nm dikke AuNPs-laag op de gekantelde BiCuSeO-film. Dit kan worden toegeschreven aan de verbeterde fotothermische conversie-efficiëntie van de AuNPs / BiCuSeO-structuur. Toen de dikte van de AuNPs-laag echter dikker werd, onderdrukte het verhoogde elektrische connectiviteitseffect van de AuNPs-laag de verdere verbetering van R _s . Deze resultaten kunnen een aantal nuttige richtlijnen bieden voor het ontwerpen van hoogwaardige optische detectoren van het thermische type op basis van het LITT-effect.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

τ _d :: Vervaltijd van de geïnduceerde spanning
AuNP's:: Gouden nanodeeltjes
HRTEM:: Transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie
LITT:: Door licht geïnduceerd transversaal thermo-elektrisch
R _s :: Spanningsgevoeligheid
SEM:: Scanning elektronenmicroscoop
V _p :: Omvang van de geïnduceerde spanning

Een tijdelijke verbeterde spanningsregelaar met stabiliteits- en voedingsonderdrukkingsversterking Op maat gemaakte vaste polymeerelektrolyten van Montmorilloniet met hoge ionengeleiding voor lithium-ionbatterijen

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal