[发明专利]一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器

说明书

本发明公开一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器，结构中包括单晶基片、原子层热电堆薄膜、铁磁性薄膜、吸收层、封装层、金属电极，单晶基片为c轴斜切的单晶基片，单晶基片的c轴斜切角度0°θ30°，原子层热电堆薄膜沿c轴倾斜外延生长在单晶基片上，在原子层热电堆薄膜上表面相对中心位置对称设置两个金属电极，两个金属电极由导线与电压表输入端连接，铁磁性薄膜生长在单晶基片上并设置在原子层热电堆薄膜的两侧，吸收层覆盖在原子层热电堆薄膜、铁磁性薄膜和金属电极上，封装层覆盖在吸收层上；本发明探测器体积小、响应电压峰值大、灵敏度高、响应时间快，能实现宽光谱探测和热辐射探测。

技术领域

本发明涉及一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器，属于探测设备技术领域。

背景技术

横向热电效应从现象层面上是指温度梯度与热电势方向相互垂直的热电效应，从物理机制层面上，横向热电效应目前主要分为四种：能斯特效应、非对角元Seebeck效应、自旋Seebeck效应和丹倍效应。其中，能斯特效应的本质是温差扩散载流子在外加垂直磁场下受洛伦兹力作用沿横向定向偏转。非对角元Seebeck效应是指在具有热电势各向异性的材料中，当材料的晶体学主轴和温度梯度方向存在不为0°的夹角时，Seebeck系数张量矩阵的非对角元不为0且对热电效应做贡献，产生与温度梯度方向垂直的电场，当非对角元Seebeck效应由各向异性的c轴倾斜外延薄膜实现时，该薄膜结构又叫做原子层热电堆。自旋Seebeck效应是铁磁材料在温度梯度的影响下，由于自旋向上的电子和自旋向下的电子具有不同的热电势而产生的一种自旋累积现象。丹倍效应是指非均匀光源垂直照射在偏离样品表面中心的位置时，使光照产生非平衡载流子的扩散电动势沿横向不能完全相消所致，虽然其电动势与光照产生的温度梯度方向相互垂直，但本质是一种光生伏特效应。

目前基于横向热电效应器件的应用，主要是基于非对角元Seebeck效应的原子层热电堆光热探测器。此类探测器具有响应波普范围宽、响应时间块、适用范围广等优势，但由于其光(热)电转换效率低，目前尚未大规模商业化应用。究其转换效率低的根本原因，是由于沿器件横向上的温差电动势仅由Seebeck系数张量中极小的一部分提供，而其沿温度梯度或薄膜厚度方向上更大的温差热电势，由于材料维度的限制无法被捕捉、测量并利用起来。

综上，需要新的原理与结构设计以进一步增大基于横向热电效应的光热探测器。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于能斯特效应和原子层热电堆的复合光热探测器，结构中包括单晶基片、原子层热电堆薄膜、铁磁性薄膜、吸收层、封装层、金属电极，所述单晶基片为c轴斜切的单晶基片，单晶基片的c轴斜切角度0°θ30°，所述原子层热电堆薄膜沿c轴倾斜外延生长在单晶基片上，在原子层热电堆薄膜上表面相对中心位置对称设置两个金属电极，两个金属电极由导线与电压表输入端连接，所述铁磁性薄膜生长在单晶基片上并设置在原子层热电堆薄膜的两侧，建立平行于铁磁性薄膜、原子层热电堆薄膜表面且垂直于横向热电势方向的磁场，所述吸收层覆盖在原子层热电堆薄膜、铁磁性薄膜和金属电极上，所述封装层覆盖在吸收层上。

所述单晶基片为c轴取向的SrTiO₃、LaAlO₃、YSZ、LiTaO₃、Si、Al₂O₃或(La_xSr_1-x)(Al_yTa_1-y)O₃，(La_xSr_1-x)(Al_yTa_1-y)O₃中0.1≤x≤0.5, 0.5≤y≤0.7。