近日，中国科学院合肥物质院固体所团队在激光能量探测异质结器件构筑方面取得新进展。相关研究成果发表在 Applied Physics Letters 上。
各向异性热电材料是一种在晶体学面内和面外方向具有不同热电势的材料。利用脉冲激光的瞬态热效应可在这些材料中产生激光诱导电压效应(laser induced voltage effect)，因而可设计出激光能量探测器件，实现脉冲激光能量密度的精确测量。
研究人员发现层状 Bi2Sr2CuOy( Bi-2201)薄膜可通过扭转 45度角的方式沿钙钛矿型单晶基板外延生长。层状 Bi-2201薄膜不仅表现出较高的超导转变温度( ~15K)，且其面内和面外热电势具有高度各向异性。在斜切 0、 5和 10度的铝酸镧单晶基板上可诱导生长倾角为 0、 5和 10度的 Bi-2201薄膜。基于上述生长的薄膜可构筑出脉冲激光能量探测原型器件(图 1)。当脉冲激光辐照薄膜时，将在薄膜面间形成温度梯度 Δ T，进而在面内形成电势差产生脉冲电压信号。
研究结果表明，倾角为 5 度的 Bi-2201 薄膜响应紫外脉冲激光( 248 nm )产生的峰值电压达到 25 伏特，对应的响应时间为 60 纳秒(图 2 )。分析系列实验结果得出该激光能量探测原型器件的经验公式( E=0.67Vp-10.98 )，可直接通过读取电压的方式获得待测脉冲激光的能量密度。此外，研究人员通过数次脉冲激光辐照测试表明该原型器件表现出良好的稳定性。基于 Bi-2201 薄膜异质结的成功构筑将为脉冲激光能量探测器件的设计提供实验依据。
该工作中，薄膜外延生长技术是构建激光能量探测器件的关键。区别于磁控溅射和脉冲激光等沉积技术，溶液法沉积技术是一种无需真空环境即可获得高质量薄膜的有效方法。课题组近年来采用该方法获得了多种高质量薄膜并构筑了相关原型器件，包括空穴型透明导电薄膜(Appl. Phys. Lett. 121, 171902 (2022)，Appl. Phys. Lett. 112, 251109 (2018))、电子型透明导电薄膜(Appl. Phys. Lett. 115, 162105 (2019)，Appl. Phys. Lett. 106, 101906 (2015))、磁性薄膜(Appl. Phys. Lett. 109, 152406 (2016))、介电电容器储能薄膜(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. 激光能量探测原型器件及薄膜异质结外延方式示意图。
上述工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划项目和合肥物质院院长改革专项基金的资助。
