本发明涉及一种紫外光探测器，具体地说是涉及一种硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器。
背景技术：
采用脉冲激光沉积技术在斜切单晶基片上制备晶向倾斜的薄膜样品，并沿倾斜晶向的投影方向在薄膜表面两端沉积两个金属电极。当用激光或热源辐照该薄膜样品表面时，会立即在薄膜上下表面建立起一个温差。由于薄膜塞贝克系数的各向异性，会导致薄膜表面两电极间输出一个与温差垂直的开路电压信号，该现象即为光诱导横向热电效应。该电压信号可由激光或者热源的辐照功率、薄膜倾斜角度及薄膜上下温差来进行有效地调控。基于光诱导横向光热电效应而设计制作的光、热探测器无须外加驱动、无噪声、无污染且性能优异：如灵敏度高、响应时间短、探测波段宽、可用于极端温度（高温或低温）环境等。因此，在光、热探测领域具有广阔的应用前景。
目前此类探测器的探测元件成分复杂且成本颇高，不利于商业推广。硒化铅是一种在中温区具有广泛应用前景的热电材料，具有价格低廉且元素储量丰富的优势，本发明拟开发一种低成本、基于光诱导横向光热电效应的硒化铅薄膜自驱动紫外光探测器，对紫外光探测具有重要的意义和商用价值。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器，以提供一种基于薄膜横向热电效应设计的工艺简单、成本低廉、灵敏度高、响应快的自驱动紫光探测器。
本发明技术方案为：一种基于硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器，所述光探测器包括斜切基片、横向热电元件和金属电极；所述横向热电元件是采用脉冲激光沉积技术在所述斜切基片上倾斜生长的硒化铅薄膜。
所述硒化铅薄膜的厚度为30～350nm。
所述硒化铅薄膜c轴倾斜方向与硒化铅薄膜表面法线方向夹角α为：0°<α<15°，且该角度与所述斜切基片的斜切角度相同。
所述斜切基片为斜切c轴取向的单晶基片，单晶基片的斜切角度θ为：0°<θ<15°，所述单晶基片为铝酸镧、钛酸锶、铝酸锶钽镧、氧化镁或蓝宝石基片。
所述金属电极与用于输出电压信号的引线相连，所述引线连接信号采集和处理装置。
上述的基于硒化铅薄膜的紫外光探测器的制备方法，包括如下步骤：
（a）将预先制备好的硒化铅靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（b）将清洗干净的c轴斜切单晶基片放置于脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（c）用激光轰击硒化铅靶材，在c轴斜切单晶基片上生长一层厚度为30～350nm的硒化铅薄膜材料；所制备的硒化铅薄膜c轴倾斜方向与硒化铅薄膜表面法线方向的夹角与所述c轴斜切单晶基片的斜切角度相同；
（d）采用蒸镀法、磁控溅射法或人工压铟法在硒化铅薄膜表面制作金属电极，并与引线接通用于传输电压信号。
步骤（c）中，激光能量密度为1.2~1.8j/cm2，激光频率为3~7hz，靶材与基片之间的距离为4.0~5.0cm，薄膜的沉积温度为280~320℃，氩气环境下分压为0.08~0.12pa。
步骤（d）中，在所述硒化铅薄膜表面制备两个对称的金属电极，所述金属电极为金、银、铂或铟电极，金属电极的直径为0.8~1.2mm，两个金属电极的间距为7~9mm。
步骤（d）中，所述引线为au、ag或cu漆包线，所述引线的直径d为：0mm<d<0.2mm。
本发明利用c轴倾斜生长的硒化铅薄膜横向光热电效应设计的自驱动紫外光探测器，工艺简单、成本低廉、具有探测灵敏度高和响应时间短等优异性能，适宜大规模工业化生产，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1是硒化铅薄膜自驱动光探测系统的原理图。
图2是本发明硒化铅薄膜自驱动光探测器的结构示意图。图中，1、硒化铅薄膜，2、基片，3、激光器，4、光阑，5、反光镜，6、凸透镜，7、金属电极，8、引线，9、电压表。
图3是实施例1所制备硒化铅薄膜材料的x射线衍射图。
图4是激光能量密度为1mj/mm2时，实施例1中硒化铅薄膜自驱动光探测器的输出电压-时间响应曲线。
图5是激光能量密度为2mj/mm2时，实施例1中硒化铅薄膜自驱动光探测器的输出电压-时间响应曲线。
图6是激光能量密度为2.5mj/mm2时，实施例1中硒化铅薄膜自驱动光探测器的输出电压-时间响应曲线。
图7是薄膜厚度为75nm时，实施例2中硒化铅薄膜自驱动光探测器的输出电压-时间响应曲线。
图8是薄膜厚度为150nm时，实施例2中硒化铅薄膜自驱动光探测器的输出电压-时间响应曲线。
图9是薄膜厚度为300nm时，实施例2中硒化铅薄膜自驱动光探测器的输出电压-时间响应曲线。
图10是基片倾斜角度为3°时，实施例3中硒化铅薄膜自驱动光探测器的输出电压-时间响应曲线。
图11是基片倾斜角度为5°时，实施例3中硒化铅薄膜自驱动光探测器的输出电压-时间响应曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明。
实施例中所用试剂均可市购或者通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。本发明选用不同波长的激光辐照横向热电元件的表面，采用示波器或源表记录电压信号。下述实施例均实现了本发明的目的。
实施例1
本发明基于硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器包括斜切基片、横向热电元件、金属电极、输出电压信号的引线、光源、光学变换装置及信号采集和处理装置。横向热电元件是采用脉冲激光沉积技术在斜切基片上倾斜生长的硒化铅薄膜。该硒化铅薄膜自驱动光探测系统原理框图和结构示意图分别如图1和图2所示。
光探测器的制备及测量包括以下步骤：
1、横向热电元件的制备：将市购的高质量硒化铅靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用。
将斜切角度为10°的钛酸锶（srtio3）基片清洗干净后安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，设定基片沉积温度为300℃，激光能量密度为1.2j/cm2，激光频率为5hz，靶材与基片之间的距离为4.5cm，薄膜的沉积温度为300℃，氩气环境下分压为0.1pa，沉积时间为7.5min，并以2℃/min的速率冷却至室温，即可得到c轴倾斜角度为10°、厚度为225nm的硒化铅薄膜。对该硒化铅薄膜热电元件进行物相表征，取补偿角等同于基片倾角角度，测得其x射线衍射谱峰如图3所示。
2、采用人工压铟的方法，在所得倾斜角度为10°、厚度为225nm的硒化铅薄膜表面左右两侧对称地制备两个铟电极，电极直径为1mm，电极间距为8mm。用铟球将直径为0.1mm的两根铜线分别压在两个铟电极上作为信号传输引线。
3、采用波长为308nm的紫外脉冲激光照射该探测器表面中间位置，当激光能量密度为1mj/mm2时，用示波器或电压表记录探测的电压信号，绘制电压-响应时间曲线，如图4所示，探测器电压峰值和响应灵敏度分别为2.88v和1.44v/mj，信号响应的上升时间和衰减时间分别为70ns和87ns；当激光能量密度为2mj/mm2时，用示波器或电压表记录探测的电压信号，绘制电压-响应时间曲线，如图5所示，探测器电压峰值和响应灵敏度分别为7.06v和1.76v/mj，信号响应的上升时间和衰减时间分别为68ns和78ns；当激光能量密度为2.5mj/mm2时，用示波器或电压表记录探测的电压信号，绘制电压-响应时间曲线，如图6所示，探测器电压峰值和响应灵敏度分别为9.32v和1.86v/mj，信号响应的上升时间和衰减时间分别67ns和72ns。分析上述测试数据可知，探测器的电压灵敏度非常高、信号响应时间非常短且在纳秒量级；随着激光能量密度的增加，探测器的电压幅值、电压响应灵敏度逐渐增大，信号响应的上升时间和衰减时间逐渐变小。
实施例2
采用实施例1的制备方法，在斜切10°的钛酸锶基片上分别沉积厚度为75nm、150nm和300nm的硒化铅薄膜，采用人工压铟的方法制作电极和输出电压信号引线。使用波长为308nm的紫外脉冲激光照射厚度为75nm硒化铅光探测器表面中间位置，当激光能量密度为2.5mj/mm2时，用示波器或电压表记录探测的电压信号，绘制电压-响应时间曲线，如图7所示，探测器电压峰值和响应灵敏度分别为2.48v和0.5v/mj，信号响应的上升时间和衰减时间分别为70ns和79ns；使用波长为308nm的紫外脉冲激光照射厚度为150nm硒化铅光探测器表面中间位置，当激光能量密度为2.5mj/mm2时，用示波器或电压表记录探测的电压信号，绘制电压-响应时间曲线，如图8所示，探测器电压峰值和响应灵敏度分别为4.2v和0.84v/mj，信号响应的上升时间和衰减时间分别为67ns和77ns；使用波长为308nm的紫外脉冲激光照射厚度为300nm硒化铅光探测器表面中间位置，当激光能量密度为2.5mj/mm2时，用示波器或电压表记录探测的电压信号，绘制电压-响应时间曲线，如图9所示，探测器电压峰值和响应灵敏度分别为6v和1.2v/mj，信号响应的上升时间和衰减时间分别为68ns和86ns。结合实施例1中的测试数据分析可知，探测器的电压灵敏度非常高、信号响应时间非常短且在纳秒量级；随着硒化铅薄膜厚度的增加，探测器的电压幅值及电压响应灵敏度均呈现先增大后减小的变化趋势，信号响应的上升时间和衰减时间则呈现先减小后增加的变化趋势。
实施例3
采用实施例1的制备方法，在倾斜角度为3°和5°的钛酸锶基片上沉积厚度为225nm的硒化铅薄膜，采用人工压铟的方法制作电极和输出电压信号引线。使用波长为308nm的紫外脉冲激光照射倾斜角度为3°硒化铅光探测器表面中间位置，当激光能量密度为2.5mj/mm2时，用示波器或电压表记录探测的电压信号，绘制电压-响应时间曲线，如图10所示，探测器电压峰值和响应灵敏度分别为3.4v和0.68v/mj，信号响应的上升时间和衰减时间分别为69ns和77ns；使用波长为308nm的紫外脉冲激光照射倾斜角度为5°硒化铅光探测器表面中间位置，当激光能量密度为2.5mj/mm2时，用示波器或电压表记录探测的电压信号，绘制电压-响应时间曲线，如图11所示，探测器电压峰值和响应灵敏度分别为5.9v和1.18v/mj，信号响应的上升时间和衰减时间分别为68ns和75ns。分析上述测试数据可知，探测器的电压灵敏度非常高、信号响应时间非常短且在纳秒量级；随着硒化铅薄膜倾斜角度的增加，探测器的电压幅值、电压响应灵敏度逐渐增大，信号响应的上升时间和衰减时间逐渐变小。
对比例1
采用实施例1的制备方法，在倾斜角度为0°的钛酸锶基片（非斜切）上沉积厚度为225nm的硒化铅薄膜，采用人工压铟的方法制作电极和输出电压信号引线。使用波长为308nm的紫外脉冲激光照射倾斜角度为0°硒化铅光探测器表面中间位置，当激光能量密度为2.5mj/mm2时，用示波器或电压表记录探测的电压信号，信号为零；改变激光能量密度仍然观测不到明显的电压信号。
1.一种基于硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述光探测器包括斜切基片、横向热电元件和金属电极；所述横向热电元件是采用脉冲激光沉积技术在所述斜切基片上生长的c轴倾斜的硒化铅薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述硒化铅薄膜的厚度为30～350nm。
3.根据权利要求1所述的基于硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述硒化铅薄膜c轴倾斜方向与硒化铅薄膜表面法线方向夹角α为：0°<α<15°，且该角度与所述斜切基片的斜切角度相同。
4.根据权利要求1所述的基于硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述斜切基片为斜切c轴取向的单晶基片，单晶基片的斜切角度θ为：0°<θ<15°，所述单晶基片为铝酸镧、钛酸锶、铝酸锶钽镧、氧化镁或蓝宝石基片。
5.根据权利要求1所述的基于硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器，其特征在于，所述金属电极与用于输出电压信号的引线相连，所述引线连接信号采集和处理装置。
6.一种权利要求1~5任一所述的基于硒化铅薄膜的自驱动紫外光探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（a）将预先制备好的硒化铅靶材安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（b）将清洗干净的c轴斜切单晶基片放置于脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；
（c）用激光轰击硒化铅靶材，在c轴斜切单晶基片上生长一层厚度为30～350nm的硒化铅薄膜材料；所制备的硒化铅薄膜c轴倾斜方向与硒化铅薄膜表面法线方向的夹角与所述c轴斜切单晶基片的斜切角度相同；
（d）采用蒸镀法、磁控溅射法或人工压铟法在硒化铅薄膜表面制作金属电极，并与引线接通用于传输电压信号。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（c）中，激光能量密度为1.2~1.8j/cm2，激光频率为3~7hz，靶材与基片之间的距离为4.0~5.0cm，薄膜的沉积温度为280~320℃，氩气环境下分压为0.08~0.12pa。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（d）中，在所述硒化铅薄膜表面制备两个对称的金属电极，所述金属电极为金、银、铂或铟电极，金属电极的直径为0.8~1.2mm，两个金属电极的间距为7~9mm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（d）中，所述引线为au、ag或cu漆包线，所述引线的直径d为：0mm<d<0.2mm。
技术总结