Significante Verhoging van Licht-Geïnduceerd Transvers Thermo-elektrisch Effect in Gekantelde BiCuSeO Films met Ultra-dunne Goud Nanodeeltjeslagen

Samenvatting

Een significante verbetering van het licht-geïnduceerde transversale thermo-elektrische (LITT) effect in gekantelde BiCuSeO-film is bereikt via de introductie van een ultra-dunne laag goud nanodeeltjes (AuNPs) met een dikte van enkele nanometers. In zowel het geval van gepulste als continue lichtbestraaling, wordt ongeveer een tweevoudige toename in de LITT-spanningsgevoeligheid waargenomen voor de BiCuSeO-film bekleed met een 4-nm-dikke AuNPs-laag. Dit kan toegeschreven worden aan de verhoogde foto-thermische conversie-efficiëntie in het LITT-effect door het efficiënte gebruik van de invalende licht van de AuNPs-laag. Dunnen AuNPs-lagen zullen de spanningsgevoeligheidstoename onderdrukken door het elektrische connectiviteitseffect. Dit werk biedt een effectieve strategie voor het optimaliseren van de prestaties van thermische optische detectoren gebaseerd op het LITT-effect.

Inleiding

Het licht-geïnduceerde transversale thermo-elektrische (LITT) effect is een speciaal thermo-elektrisch fenomeen waarbij de elektrische en warmtestromen in het materiaal loodrecht op elkaar staan. Dit effect ontstaat uit de anisotropie van de Seebeck-coëfficiënt en kan alleen gedetecteerd worden in gekantelde structuren. Zoals getoond in Fig. 1a, wanneer het oppervlak van een c-as gekantelde film verlicht wordt door licht, wordt een temperatuursverschil ΔT_z tussen het filmoppervlak en de bodem vestigd langs de z-as door absorptie van invalend licht, wat resulteert in een thermische spanningssegnal V_x langs de x-as richting. De geïnduceerde spanning V_x kan uitgedrukt worden als:

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

waarbij l, d, en α de lichtvlekdiameter op de film, de filmdikte, en de kantelingshoek van de c-as ten opzichte van de filmoppervlakte normaal zijn, respectievelijk. ΔS = S_ab − S_c is het verschil in Seebeck-coëfficiënt in ab-vlak en langs de c-as richting van de film.

In de afgelopen jaren heeft het LITT-effect grote aandacht getrokken vanwege de potentiële toepassingen in zelfgevoede ongekoelde optische detectoren. Uitgebreide studies zijn uitgevoerd op gekantelde films van YBa₂Cu₃O_7-δ, La_1-xCa_xMnO₃, Ca_xCoO₂, Bi₂Sr₂Co₂O_y, La_0.9Sr_0.1NiO₃, SrTi_1−xNb_xO₃, etc. Echter, de spanningsgevoeligheid R_s, gedefinieerd als de verhouding van de uitgangsspanning amplitude V_p tot de invalende lichtenergie E bestraald op de film, verkregen uit deze films is nog niet voldoende voor praktische toepassingen in optische detectoren. Recentelijk, om R_s te verbeteren, werd een laag goudzwart of koolstofnanotubes met een dikte van enkele micrometers (μm) op het filmoppervlak aangebracht door Takahashi et al. en Wang et al. De goudzwart of koolstofnanotube laag kan fungeren als lichtabsorptielaag, wat verwacht wordt de foto-thermische conversie-efficiëntie van het LITT-effect te verbeteren en de waarde van ΔT_z te verhogen. Deze strategie bleek zeer effectief voor continue lichtbestraaling. Terwijl voor gepulste lichtbestraaling, resulteerde de introductie van micrometer-dikke lichtabsorptielaag in een significante verslechtering in R_s, verminderend tot slechts ongeveer 0,5% van de oorspronkelijke waarde. Hoewel de micrometer-dikke lichtabsorptielaag het gebruik van het invalende licht verhoogt, onderdrukt het de invoer thermische energie van de gepulste lichtbestraaling sterk vanwege de excessief verlengde thermische ontspanningstijd in het hele systeem, wat uiteindelijk leidt tot een verminderde ΔT_z. De ultra-dunne goud nanodeeltjes (AuNPs) laag speelt een zeer significante rol in de materiaalwetenschap door zijn unieke chemische en fysieke eigenschappen, wat breed toegepast is in veel velden zoals photonica, zonne-energie-opbrengst, biologische sensing, oppervlakte-versterkte Raman-spectroscopie, en moleculaire spectroscopie toepassingen. In dit artikel verkenden we het gebruik van ultra-dunne AuNPs-laag, met een dikte van 4–7 nm, als lichtabsorptielaag om de spanningsgevoeligheid R_s van het LITT-effect in de gekantelde film van BiCuSeO te verbeteren. Dit verbinding is een veelbelovend nieuw thermo-elektrisch materiaal met een anisotrope gelaagde structuur, wat het een goede kandidaatmateriaal maakt voor de studie van het LITT-effect. Aangezien het thermische ontspanningsproces in de ultra-dunne AuNPs-laag heel snel is en genegeerd kan worden, wordt het thermische ontspanningsproces in het huidige AuNPs/BiCuSeO-systeem nog steeds bestuurd door de BiCuSeO-film. In zowel het geval van continue als gepulste lichtbestraaling, is ongeveer een tweevoudige toename in R_s 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 weerstand van de hele structuur (Au/BiCuSeO) niet meer genegeerd worden vanwege de goede elektrische geleiding, wat de toename van R_s zal onderdrukken.

Methoden

Preparatie van BiCuSeO Film en AuNPs Laag

In dit werk werden c-as gekantelde BiCuSeO-films met een dikte van ongeveer 150 nm geproduceerd door gebruik te maken van een 308-nm gepulste laserablatie van het BiCuSeO keramische target onder een atmosfeer van hoge zuurstof argon. De kantelingshoek van de film werd gereguleerd door de miscut-hoek van het substraat. Hier werden 20° miscut (001) LaAlO₃ einkristalsubstraten gebruikt. Details van filmfabricatie en structurele karakterisatie kunnen gevonden worden in onze eerdere artikelen. AuNPs-laag, met een dikte van respectievelijk 4 en 7 nm, werd op de gekantelde BiCuSeO-film aangebracht door sputtermethode. Tijdens het sputterproces werd de Ar-gasdruk in de kamer ingesteld op 0,1 Pa, de substratemperatuur werd gehandhaafd op 300 K, en de sputterstroom was 6 mA.

Karakterisatie

SEM en HRTEM werden gebruikt om oppervlakte en dwarsdoorsnede-afbeeldingen van de AuNPs-laag te illustreren. Om de lichtabsorptie en fotothermische conversie-eigenschappen van de BiCuSeO-film alsook de ultra-dunne AuNPs-laag te schatten, werden de lichtabsorptiespectra van kaal BiCuSeO, AuNPs-laag, en AuNPs/BiCuSeO gemeten met behulp van een Hitachi U-4100 spectrophotometer, respectievelijk.

Thermo-elektrische Prestaties

We voerden elektrische weerstand ρ en Seebeck-coëfficiënt S metingen uit op de BiCuSeO-film met een ladingsdragerdichtheid van ongeveer 6,6 × 10⁻¹⁹ cm⁻³, zoals getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S1. Bij kamertemperatuur waren de ab-vlak elektrische weerstand en Seebeck-coëfficiënt van de BiCuSeO-film ongeveer 11,5 mΩ cm en 204 μV/K, wat resulteerde in een vermogensfactor van ongeveer 0,36 mW/mK². De out-of-plane warmtegeleiding van dit filmmonster werd gemeten met de Linseis dunne film Laser flash Analyser (TF-LFA), en was ongeveer 0,24 W/mK bij kamertemperatuur.

LITT Effect Meting

Voor de meting van het LITT-effect werden twee indium-elektroden gescheiden ongeveer 8 mm op het filmoppervlak langs de x-as gedeponeerd, zoals getoond in Fig. 1a. Een 308-nm gepulste laser met een energiedichtheid van 0,2 mJ/mm² en een Xenon-lamp met een vermogensdichtheid van 350 mW/cm² werden gebruikt als lichtbronnen. Om Dember-effect te vermijden, werd de lichtvlek (3 mm × 5 mm) op de film op de centrale positie tussen de twee elektroden geplaatst. De LITT-spanningssignalen werden opgenomen door een digitale oscilloscoop getermineerd in 1 MΩ (Agilent DSO9254A) en een 2700 Keithley bronmeter voor gepulste en continue lichtbestraaling, respectievelijk.

Resultaten en Discussie

Figuur 1b presenteert de HRTEM-afbeelding van BiCuSeO-film gegroeid op een 20° miscut LaAlO₃ (001) substraat. Het kan duidelijk worden gezien dat de film groeit langs de c-as en zijn c-as is ongeveer 20° gekanteld ten opzichte van de filmoppervlakte normaal. Figuur 1c en d tonen de SEM-oppervlakteafbeeldingen van de 4- en 7-nm-dikke AuNPs-laag, respectievelijk. De AuNPs vormen een continue goudlaag, waarin de AuNPs in contact zijn met elkaar maar niet volledig gesmolten. De gemiddelde grootte van AuNPs is onder de 10 nm voor de 4-nm-dikke AuNP-laag, en het groeit groter wanneer de dikte van de film toeneemt tot 7 nm. XRD-metingen van beide AuNPs-lagen tonen geen duidelijke diffractiepieken van Au, wat de amorfe karakteristiek van de AuNPs-laag aangeeft. Figuur 1e presenteert de dwarsdoorsnede HRTEM-afbeelding van AuNPs (7 nm)/BiCuSeO-interface, wat de goede contact tussen de AuNPs en het BiCuSeO-filmoppervlak aangeeft. We geloven dat de zeer dunne dikte van de AuNPs-laag alsook de goede AuNPs/BiCuSeO-interface nuttig zal zijn voor het onderdrukken van de thermische ontspanningstijd van de invoer warmte-energie in het LITT-effect, wat zeer belangrijk zal zijn voor de gepulste lichtbestraaling. Figuur 1f demonstreert de stroom-spanning (I-V) curves tussen twee elektroden op de gekantelde BiCuSeO-film, waarin lineair geleidingsgedrag perfecte Ohmse contacten tussen de elektrode en de film bevestigt. De inset van Fig. 1f toont de weerstand van AuNPs/BiCuSeO. Het daalt van 3,2 KΩ voor kaal BiCuSeO tot 3,02 KΩ voor 4-nm-dikke AuNPs/BiCuSeO en 2,25 KΩ voor 7-nm-dikke AuNPs/BiCuSeO. De vermindering in weerstand wordt voorgesteld te komen door de bijdrage van de AuNPs-laag. Naarmate de dikte van de AuNPs-laag toeneemt, wordt het meer elektrisch geleidend, wat resulteert in een verlaagde weerstand van de hele AuNPs/BiCuSeO-structuur.

Figuur 2a toont het lichtabsorptiespectrum van BiCuSeO-film voor en na het bekleden van de AuNPs-laag. De introductie van een paar nanometer-dikke AuNP-laag leidt slechts tot een lichte toename in de lichtabsorptie vanwege de hoge doorlaatbaarheid van de ultra-dunne AuNPs-laag. Om meer informatie te geven, worden de lichtabsorptiespectra van de 4- en 7-nm-dikke AuNPs-lagen ook gepresenteerd in de inset van Fig. 2a. De piek op ongeveer 280 nm (~ 4,4 eV) ontstaat uit de inter-band overgang, wat overeenkomt met de L-kloof van goud. Het moet hier worden vermeld dat de AuNPs in de ultra-dunne laag niet gescheiden zijn maar in contact met elkaar. Daarom hebben we de plasmon-resonantiepieken van AuNPs rond 550 nm niet waargenomen, evenals de spectrale verschuiving tussen de pieken van de twee lagen toenemende hoeveelheid goud.

Om het effect van zo'n ultra-dunne AuNPs-laag op de foto-thermische conversie-efficiëntie van BiCuSeO-films te schatten, maatten we de verwarmingscurves van kaal BiCuSeO alsook AuNPs/BiCuSO monsters bij de Xenon-lamp bestraling, die getoond worden in Fig. 2b. Het kan duidelijk worden gezien dat de ultra-dunne AuNPs-laag heel effectief is voor het verbeteren van de foto-thermische conversie-efficiëntie van de BiCuSeO-film ondanks de lichte toename in lichtabsorptie. De steady-state temperatuur van het monsteroppervlak stijgt van 52 °C voor kaal 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 AuNPs (27 Jmol⁻¹ K⁻¹) veel kleiner is dan die van BiCuSeO (99,5 Jmol⁻¹ K⁻¹), wat leidt tot een hogere temperatuurstijging bij het absorberen van een vergelijkbare hoeveelheid lichtenergie. Bovendien kan de introductie van de amorfe AuNP-laag de reflectieverlies van licht aan het gladde BiCuSeO-filmoppervlak verminderen. Al deze effecten tellen op om de verticale temperatuurgradiënt gevestigd in de BiCuSeO-film te verhogen.

Figuur 3 illustreert de spanningsresponsen van de gekantelde BiCuSeO-films met en zonder bekleding van de ultra-dunne AuNPs-laag bij de verlichting van een Xenon-lamp. Zolang het licht aanstaat, worden open-kring spanningssignalen gedetecteerd in alle monsters. Bovendien neemt de grootte van het licht-geïnduceerde spanningssignaal, V_p, significant toe na introductie van de ultra-dunne AuNPs-laag. Bijvoorbeeld, voor de BiCuSeO-film met de 4-nm-dikke AuNPs-laag, is de waarde van V_p 0,27 mV, wat ongeveer twee keer groter is dan die van de kaal film (0,13 mV). Dit resultaat onthult dat de ultra-dunne AuNPs-laag van een paar nanometer dik de spanningsgevoeligheid R_s van het LITT-effect onder continue lichtstraling aanzienlijk kan verbeteren.

Om te controleren of de ultra-dunne AuNPs-laag ook effectief is in het geval van gepulste lichtstraling, voerden we de LITT-metingen uit met behulp van een 308-nm gepulste laser als lichtbron. Figuur 4a is de spanningsresponsen van de filmmonsters bij de gepulste lichtstraling. Het gepulste licht-geïnduceerde spanningssignaal in de gekantelde BiCuSeO-film wordt ook aanzienlijk verbeterd na het bekleden van de ultra-dunne AuNPs-laag. De waarde van V_p stijgt van 3,8 V voor kaal BiCuSeO tot 8,1 V voor de film bekleed met de 4-nm-dikke AuNP-laag, wat resulteert in een verbetering van R_s van 1,3 tot 2,7 V/mJ, zoals getoond in Fig. 4b. Naast R_s, is vervaltijd τ_d, altijd verkregen door het aanpassen van het dempende deel van het geïnduceerde spanningssignaal, een andere belangrijke parameter om de karakteristieken van LITT-effect voor gepulste laserbron te evalueren. Het is duidelijk dat τ_d in Fig. 4b monotoon daalt van 1,5 μs voor kaal BiCuSeO tot 0,8 μs voor 7-nm-dikke AuNPs/BiCuSeO. De vermindering in τ_d verschilt van het rapport in, en het kan veroorzaakt worden door de ultra-dunne structuur alsook het elektrische connectiviteitseffect van de AuNPs-laag.

Het moet hier worden opgemerkt dat in zowel het geval van continue als gepulste lichtbestraaling, de waarde van R_s een dalende tendens vertoont wanneer de dikte van de AuNPs-laag toeneemt tot 7 nm, hoewel het nog steeds hoger is dan de oorspronkelijke waarde verkregen van de kaal film. Dit gedrag kan te wijten zijn aan het parallele effect van de AuNPs-laag. Het is bekend dat het aansluiten van een parallelle weerstand met kleine weerstand in het meetcircuit zal leiden tot een verminderde V_p en een snellere responstijd. In dit werk kan de ultra-dunne AuNPs-laag beschouwd worden als een weerstand in parallel met de BiCuSeO-film. Naarmate de dikte van de AuNPs-laag toeneemt van 4 tot 7 nm, daalt de weerstand ervan van 54 tot 7,6 KΩ. Zoals getoond in Fig. 5, resulteert het aansluiten van een 7,6 KΩ weerstand in parallel met de BiCuSeO-film in de vermindering van zowel amplitude als vervaltijd τ_d van het uitgangsspanningssignaal. Om de rationaliteit van de verklaring te verifiëren, voerden we ook de LITT-meting uit op een monster met 20-nm-dikke AuNPs-laag onder de verlichting van de 308 nm gepulste laser: hier is de AuNPs-laag continu en toont een kleinere weerstand in vergelijking met de 4 of 7 nm-dikke film. Naarmate de dikte van de AuNPs-laag toeneemt, dalen de waarden van V_p alsook τ_d voort (zoals gezien in Aanvullend bestand 1: Figuur S2).

Conclusies

Concluderend, werd een ultra-dunne AuNPs lichtabsorptielaag met een dikte van enkele nanometers geïntroduceerd om de spanningsgevoeligheid van het LITT-effect in de c-as gekantelde BiCuSeO-film te verbeteren. In zowel het geval van continue als gepulste lichtbestraaling, nam de grootte van het uitgangsspanningssignaal (V_p) van het LITT-effect meer dan twee keer toe na het sputteren van een 4-nm-dikke AuNPs-laag op de gekantelde BiCuSeO-film. Dit kan toegeschreven worden aan de verbeterde foto-thermische conversie-efficiëntie van de AuNPs/BiCuSeO-structuur. Echter, toen de dikte van de AuNPs-laag dikker werd, onderdrukte het verhoogde elektrische connectiviteitseffect van de AuNPs-laag verdere verbetering van R_s. Deze resultaten kunnen enkele nuttige richtlijnen bieden voor het ontwerpen van hoog-presterende thermische optische detectoren gebaseerd op het LITT-effect.