近日，中国科学院合肥物质研究所固体研究所团队在激光能量探测异质结器件结构方面取得了新进展。发表了相关研究成果 Applied Physics Letters 上。
各向异性热电材料是一种在晶体表面内外有不同热电位的材料。利用脉冲激光的瞬态热效应，在这些材料中产生激光诱导电压效应(laser induced voltage effect)，因此，激光能量探测器件可以设计，以实现脉冲激光能量密度的精确测量。
研究人员发现了层状 Bi2Sr2CuOy( Bi-2201)薄膜可以通过扭转 沿钙钛矿单晶基板延伸45度角。层状 Bi-2201薄膜不仅表现出较高的超导转变温度( ~15K)，其表面内外热电势具有高度各向异性。在斜切 0、 5和 生长倾角可诱导在10度铝酸兰单晶基板上 0、 5和 10度的 Bi-2201薄膜。脉冲激光能量探测原型器件可以基于上述生长膜构建(图) 1)。当脉冲激光辐照薄膜时，在薄膜表面之间形成温度梯度 Δ T，然后在表面形成电势差，产生脉冲电压信号。
研究结果表明，倾角是 5 度的 Bi-2201 紫外脉冲激光膜响应( 248 nm )峰值电压达到 25 伏特，对应的响应时间是 60 纳秒(图 2 )。激光能量探测原型器件的经验公式分析系列实验结果( E=0.67Vp-10.98 )，待测脉冲激光的能量密度可以通过读取电压直接获得。此外，经过几次脉冲激光辐照测试，研究人员表明该原型设备具有良好的稳定性。基于 Bi-2201 成功构建薄膜异质结将为脉冲激光能量探测器件的设计提供实验依据。
在这项工作中，膜外延生长技术是构建激光能量探测器件的关键。溶液法沉积技术不同于磁控溅射、脉冲激光等沉积技术，是一种无真空环境即可获得优质薄膜的有效方法。近年来，研究小组采用这种方法获得了各种优质薄膜，并建立了空穴透明导电膜等相关原型设备(Appl. Phys. Lett. 121, 171902 (2022)，Appl. Phys. Lett. 112, 251109 (2018))、电子透明导电膜(Appl. Phys. Lett. 115, 162105 (2019)，Appl. Phys. Lett. 106, 101906 (2015))、磁性薄膜(Appl. Phys. Lett. 109, 152406 (2016))、介电电容器储能膜(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。
图1. 激光能量探测原型设备及膜异质结外延模式示意图。
图2. 异质结器件微结构、激光诱导电压性能和原型器件稳定性的激光能量检测。
国家自然科学基金、安徽省重点研发项目、合肥物质研究院院长改革专项基金资助上述工作。