1 引 言
氧化物高温超导体在经历十余年的研究发展后,已逐步形成一门独特的学科,并有极具潜力的应用前景。它的应用主要集中在电磁(辐射)测量、能量贮备器件等,如:超导量子干涉器件(SQUID)[1, 2]、超导电流引线[3]、高温超导热电子混频器[4]、红外探测器[5~7]、红外热成像[8, 9]等。近几年来,人们在YBa2Cu3O7-δ(YBCO)类高温超导薄膜中发现了另一种光热辐射感生电压效应,这是由于YBCO薄膜中各向异性塞贝克(Seebeck)系数引起的,目前,基于这种效应的应用已初露锋芒[5, 10]。
本文基于Seebeck效应的原理,提出器件设计与应用,给出红外(1·064μm)、可见(0·532μm)、紫外(0·308μm)脉冲激光下及调制后的连续He-Ne(0·6328μm)激光辐射的器件响应,并对测量结果进行分析,指出该器件的改善途径和应用前景。
2 原 理
近几年来,国内外对高温超导体的热电势(Seebeck效应)进行了广泛深入的研究[5, 10~14]。热电势也就是温差电现象(Seebeck effect)。最常见的是在两种金属的界面上,如热电偶,当冷热端温度不同时,会在热电偶两端产生电压。具有各向异性的晶体材料中也有温差电效应,例如倾斜衬底上生长的YBCO薄膜。微观上可以认为导电层和绝缘层就是一组热电元件,所以也有人称图1所示的结构为原子层热电堆器件[15, 16]。在这类材料中,一个与时间有关的温度梯度,将产生一热电场
其中S为晶体的Seebeck张量。对于倾斜衬底上生长的YBCO晶体材料,经坐标变换(见图1的坐标系)之后,Seebeck张量具有以下形式[5, 16, 17]
其中,Sab,Sc分别为YBCO在a-b平面内和c轴方向上的Seebeck张量的分量,α是外延薄膜法向对c轴的倾角。假设光照垂直于薄膜表面,将(2)式代入(1)式,并沿x方向在光照长度上积分,得到热电压的表达式
其中Ux为沿x方向在长度lx内获得的电压,ΔTz为沿z轴方向产生的温差,该温差可以是YBCO膜吸收光脉冲、黑体辐射或其他辐射后引起薄膜上下表面的温度不同。d为膜厚。从(3)式可知,热电压正比于z方向的温差、样品长度lx和倾角α。晶体的Seebeck张量元各向异性(Sab-Sc)越大,所产生的热电压也越大。同时, Ux反比于薄膜厚度d,d越小, Ux越大。这不仅有利于器件灵敏度的提高,也有利于器件的小型化。然而,在薄膜厚度减小的情况下,如何控制外延膜的质量也是制膜工艺上的一个重要问题。P. X. Zhang等[14]研究了Ux与膜厚d的关系,发现在现有工艺条件下,d约为300 nm时Ux极大,这为设计器件提供了实际的基础。
(3)式表明热电压完全是由温度梯度引起的,只要存在温度梯度ΔTz,就存在感生电压。由于YBCO薄膜在很宽的波长范围内的光吸收都很强,所以,对于光热辐射的响应,它覆盖了很宽的频谱,包括红外、可见和紫外[5]。
器件的时间响应由建立温差ΔTz的时间和去掉辐照后温差消失的时间决定。响应的上升前沿只与建立温差有关,不需要热平衡,并且温差建立后产生的载流子的迁移只在绝缘层到导电层几纳米距离内,因此这种器件的响应时间很短,有报道说可达到ps量级[17]。
3 实验技术
YBCO薄膜是采用激光溅射法(LPD)沉淀在倾斜SrTiO3单晶衬底上制备的。薄膜光刻成如图2所示的图形,即每块薄膜光刻为两个原型器件,分别称为L膜和R膜。
选用四种波长的激光作为辐射源,分别为λ1=308 nm,λ2=532 nm,λ3=1·064μm,λ4=0·6238μm。测量方框图如图3所示。
4 实验结果与分析
4.1 准分子激光器
准分子激光器(Lambda Physik产品,型号为LPX105i)充XeCl气体时,发射波长为λ1=308 nm的紫外激光,显示的信号波形如图4(a)所示,感生的峰值电压与激光能量密度E的关系如图4(b)所示。E由激光器自身的能量显示读出。灵敏度为。
4.2 钇铝石榴石激光器
钇铝石榴石激光器可发射两种波长的脉冲激光,分别为λ3=1·064μm和倍频后的λ2=0·532μm(绿光)。激光器的辐射脉冲宽度为7 ns。图5与图6分别为两波长下的测量结果
4.3 He-Ne激光器
He-Ne激光器的波长为λ4=0·6238μm,功率为0·5 mW。图7为该波长下的测量结果。激光感生信号经过前置放大后输入示波器。
图7记忆示波器存贮的器件L膜对调制过的λ4=0·6238μm的He-Ne激光响应的信号图形。器件峰值响应电压ΔV=20·00 mV,信号周期T=16·40 ms,斩波器频率f=61 Hz=1/16·40 ms;加前置放大器(1000倍)调制后的He-Ne激光辐射近似于方波,故信号响应也呈方波,这说明器件的时间响应是很快的。
5 结 论
实验表明,在能量低于1 mJ以及紫外至红外(308 nm~1·064μm)的很宽的波长范围内,器件都有较好的响应。可以用它做成一种新型室温下工作的宽波段、快响应的激光功率计。我们已完成了一个功率计原型设计。若加工成阵列则可用于测量大功率、短脉冲激光的能量剖面。
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作者简介:张鹏翔(1942—),男,昆明理工大学教授,中国科技大学博士生导师。主要从事固体物理、光电子材料、拉曼光谱研究。E-mail:PXZhang@public.km.yn.cn
