Effet thermoélectrique transversal amélioré induit par la lumière dans un film BiCuSeO incliné via la couche AuNPs ultra-fine

Introduction

L'effet thermoélectrique transversal induit par la lumière (LITT) est un phénomène thermoélectrique spécial dans lequel les flux électriques et thermiques dans le matériau sont perpendiculaires les uns aux autres. Cet effet provient de l'anisotropie du coefficient de Seebeck et ne peut être détecté que dans les structures inclinées [1, 2]. Comme le montre la figure 1a, lorsque la surface d'un c -le film incliné sur l'axe est éclairé par la lumière, une différence de température ΔT _z entre la surface du film et le fond est établi le long du z -axe en raison de l'absorption de la lumière incidente, ce qui se traduira par un signal de tension thermique V _x le long du x -direction de l'axe. La tension induite V _x peut être exprimé par :

où l , d , et α sont le diamètre du point lumineux sur le film, l'épaisseur du film et l'angle d'inclinaison du c- axe par rapport à la normale à la surface du film, respectivement. ΔS =S _ab − S _c est la différence du coefficient Seebeck dans ab -avion et le long du c -axe direction du film [2].

Au cours des dernières années, l'effet LITT a attiré une grande attention en raison des applications potentielles dans les détecteurs optiques non refroidis auto-alimentés. Des études approfondies ont été menées sur des films inclinés de YBa₂ Cu₃ O_7-δ , La_1-x Ca_x MnO₃ , Ca_x CoO₂ , Bi₂ Sr₂ Co₂ O_y , La_0.9 Sr_0.1 NiO₃ , SrTi_1−x Nb_x O₃ , etc. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]. Cependant, la sensibilité à la tension R _s , qui est défini comme le rapport de l'amplitude de la tension de sortie V _p à l'énergie lumineuse incidente E irradié sur le film, obtenu à partir de ces films n'est pas encore suffisant pour des applications pratiques dans les détecteurs optiques. Récemment, pour améliorer R _s , une couche de noir d'or ou de nanotubes de carbone d'une épaisseur de quelques micromètres (μm) a été déposée sur la surface du film par Takahashi et al. et Wang et al. [15,16,17,18]. La couche de noir d'or ou de nanotube de carbone peut servir de couche d'absorption de la lumière, ce qui devrait améliorer l'efficacité de conversion photo-thermique de l'effet LITT et augmenter la valeur de ΔT _z . Cette stratégie s'est avérée très efficace pour l'irradiation lumineuse continue. Alors que pour l'irradiation par lumière pulsée, l'introduction d'une couche d'absorption de lumière d'un micromètre d'épaisseur a entraîné une détérioration significative de R _s , ce qui réduit à environ 0,5 % seulement de la valeur d'origine. Bien que la couche d'absorption de lumière d'une épaisseur micrométrique augmente l'utilisation de la lumière incidente, elle supprime considérablement l'énergie thermique d'entrée de l'irradiation de lumière pulsée en raison du temps de relaxation thermique excessivement prolongé dans l'ensemble du système, ce qui conduit finalement à une diminution de ΔT _z [15]. La couche de nanoparticules d'or ultra-minces (AuNPs) joue un rôle assez important dans la science des matériaux en raison de ses propriétés chimiques et physiques uniques, qui ont été largement utilisées dans de nombreux domaines tels que la photonique, la récolte solaire, la détection biologique, la diffusion Raman améliorée en surface. , et les applications de spectroscopie moléculaire [19,20,21]. Dans cet article, nous avons exploré l'utilisation d'une couche d'AuNPs ultra-mince, d'une épaisseur de 4 à 7  nm, comme couche d'absorption de la lumière pour améliorer la sensibilité à la tension R _s de l'effet LITT dans le film incliné de BiCuSeO. Ce composé est un nouveau matériau thermoélectrique prometteur avec une structure en couches anisotrope [22,23,24,25], ce qui en fait un bon matériau candidat pour l'étude de l'effet LITT [26, 27]. Comme le processus de relaxation thermique dans la couche ultra-mince d'AuNPs est très rapide et peut être ignoré, le processus de relaxation thermique dans le système AuNPs/BiCuSeO actuel est toujours régi par le film BiCuSeO. Dans les deux cas d'irradiation lumineuse continue et pulsée, incrément d'environ deux fois en R _s a été obtenu en pulvérisant une couche d'AuNPs de 4 nm d'épaisseur sur le film BiCuSeO. Lorsque l'épaisseur de la couche d'AuNPs augmente jusqu'à environ 7 nm, la contribution de la couche d'AuNPs à la résistivité de l'ensemble de la structure (Au/BiCuSeO) ne peut plus être ignorée en raison de sa bonne conductivité électrique, ce qui supprimera l'incrément de R _s .

Méthodes

Préparation du film BiCuSeO et de la couche AuNPs

Dans ce travail, c- Des films BiCuSeO inclinés d'une épaisseur d'environ 150  nm ont été fabriqués en utilisant une ablation laser pulsée à 308 nm de la cible en céramique BiCuSeO sous une atmosphère d'argon de haute pureté. L'angle d'inclinaison du film était régulé par l'angle de mauvaise coupe du substrat. Ici, 20° miscut (001) LaAlO₃ des substrats monocristallins ont été utilisés. Les détails de la fabrication du film et de la caractérisation structurelle peuvent être trouvés dans nos articles précédents [25,26,27]. Une couche d'AuNPs, d'une épaisseur de 4 et 7  nm respectivement, a été déposée sur le film BiCuSeO incliné par la technique de pulvérisation cathodique. Au cours du processus de pulvérisation, la pression du gaz Ar dans la chambre a été fixée à 0,1  Pa, la température du substrat a été maintenue à 300  K et le courant de pulvérisation était de 6  mA.

Caractérisation

SEM et HRTEM ont été utilisés pour illustrer des images de surface et de section transversale de la couche AuNPs. Pour estimer les caractéristiques d'absorption lumineuse et de conversion photothermique du film BiCuSeO ainsi que de la couche ultra-mince d'AuNPs, les spectres d'absorption lumineuse de BiCuSeO nu, de la couche AuNPs et d'AuNPs/BiCuSeO ont été mesurés à l'aide d'un spectromètre Hitachi U-4100, respectivement. .

Performances thermoélectriques

Nous avons effectué la résistivité électrique ρ et coefficient Seebeck S mesures sur le film BiCuSeO avec une densité de porteurs d'environ 6,6 × 10 ⁻¹⁹ cm ⁻³ , comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S1. A température ambiante, le ab -la résistivité électrique plane et le coefficient Seebeck du film BiCuSeO étaient d'environ 11,5 mΩ cm et 204 V/K, ce qui donne un facteur de puissance d'environ 0,36  mW/mK ² . La conductivité thermique hors plan de cet échantillon de film a été mesurée par l'analyseur laser à couche mince Linseis (TF-LFA), et elle était d'environ 0,24  W/mK à température ambiante.

Mesure de l'effet LITT

Pour la mesure de l'effet LITT, deux électrodes d'indium séparées d'environ 8 mm ont été déposées sur la surface du film le long du x -direction de l'axe, comme le montre la figure 1a. Un laser pulsé de 308 nm avec une densité d'énergie de 0,2 mJ/mm ² et une lampe Xénon avec une densité de puissance de 350 mW/cm ² ont été utilisés comme sources lumineuses. Pour éviter l'effet Dember, la tache lumineuse (3 mm × 5 mm) sur le film était située sur la position centrale entre deux électrodes. Les signaux de tension LITT ont été enregistrés par un oscilloscope numérique terminé en 1 MΩ (Agilent DSO9254A) et un compteur de source Keithley 2700 pour les irradiations lumineuses pulsées et continues, respectivement.

Résultats et discussion

La figure 1b présente l'image HRTEM du film BiCuSeO cultivé sur un LaAlO₃ mal coupé à 20° (001) substrat. On peut clairement voir que le film se développe le long du c -axe et son c -L'axe est incliné d'environ 20° par rapport à la normale de la surface du film. Les figures 1c et d affichent les images de surface SEM de la couche AuNPs de 4 et 7 nm d'épaisseur, respectivement. Les AuNPs forment une couche d'or continue, dans laquelle les AuNPs sont en contact les uns avec les autres mais ne sont pas totalement fusionnés. La taille moyenne des AuNP est inférieure à 10 nm pour la couche AuNP de 4 nm d'épaisseur, et elle augmente lorsque l'épaisseur du film augmente jusqu'à 7 nm. La mesure XRD des deux couches AuNPs ne montre aucun pic de diffraction évident de Au, indiquant une caractéristique amorphe de la couche AuNPs. La figure 1e présente l'image HRTEM en coupe de l'interface AuNPs (7 nm)/BiCuSeO, indiquant le bon contact entre les AuNPs et la surface du film BiCuSeO. Nous pensons que la très fine épaisseur de la couche AuNPs ainsi que la bonne interface AuNPs/BiCuSeO seront utiles pour supprimer le temps de relaxation thermique de l'énergie thermique d'entrée dans l'effet LITT, ce qui sera très important pour l'irradiation par lumière pulsée. La figure 1f montre le courant-tension (I -V ) courbes entre deux électrodes sur le film BiCuSeO incliné, dans lesquelles le comportement conducteur linéaire confirme des contacts ohmiques parfaits entre l'électrode et le film. L'encart de la figure 1f montre la résistance de AuNPs/BiCuSeO. Elle passe de 3,2 KΩ pour le BiCuSeO nu à 3,02 KΩ pour les AuNPs/BiCuSeO de 4 nm d'épaisseur et 2,25 KΩ pour les AuNPs/BiCuSeO de 7 nm d'épaisseur. Il est suggéré que la réduction de la résistance provient de la contribution de la couche AuNPs. À mesure que l'épaisseur de la couche d'AuNPs augmente, elle devient plus conductrice d'électricité, ce qui entraîne une diminution de la résistance de l'ensemble de la structure AuNPs/BiCuSeO.

un Illustration schématique de l'effet LITT dans un c -film incliné à axe recouvert d'une couche AuNP. b Image HRTEM d'un film BiCuSeO cultivé sur du LaAlO₃ mal coupé à 20° (001) substrat. c –d Images SEM de la couche AuNP avec une épaisseur de 4 et 7  nm, respectivement. e Image HRTEM de l'échantillon d'AuNP (7 nm)/BiCuSeO. f Je –V courbes entre deux électrodes d'indium sur des échantillons différents. L'encart est la variation de la résistance des échantillons AuNPs/BiCuSeO avec l'épaisseur de la couche AuNP

La figure 2a affiche le spectre d'absorption de la lumière du film BiCuSeO avant et après le revêtement de la couche AuNPs. L'introduction d'une couche d'AuNP de quelques nanomètres d'épaisseur ne conduit qu'à une légère augmentation de l'absorption de la lumière en raison de la transmittance élevée de la couche d'AuNPs ultra-mince. Pour donner plus d'informations, le spectre d'absorption de la lumière des couches d'AuNPs de 4 et 7 nm d'épaisseur est également présenté dans l'encart de la figure 2a. Le pic à environ 280 nm (~ 4,4 eV) provient de la transition inter-bande, qui correspond au L gap de l'or [28]. Il convient de mentionner ici que les AuNPs dans la couche ultra-mince ne sont pas séparés mais sont en contact les uns avec les autres. Par conséquent, nous n'avons pas observé le pic de résonance plasmonique des AuNPs autour de 550 nm ainsi que le décalage spectral entre les pics des deux couches lors de l'augmentation de la quantité d'or.

un Spectres d'absorption lumineuse d'échantillons nus de BiCuSeO et AuNPs (7 nm)/BiCuSeO. L'encart est le spectre d'absorption lumineuse d'une couche d'Au d'une épaisseur de 4 nm et 7 nm. b Courbes de chauffe des échantillons nus de BiCuSeO et AuNPs/BiCuSeO sous l'éclairage d'une lampe au xénon

Pour estimer l'effet d'une telle couche d'AuNPs ultra-mince sur l'efficacité de conversion photo-thermique des films BiCuSeO, nous avons mesuré les courbes de chauffage d'échantillons de BiCuSeO nu ainsi que d'AuNPs/BiCuSO lors de l'irradiation de la lampe au xénon, qui sont illustrées à la Fig. 2b . On peut clairement voir que la couche ultra-mince d'AuNPs est très efficace pour améliorer l'efficacité de conversion photo-thermique du film BiCuSeO malgré le léger accroissement de l'absorption lumineuse. La température à l'état d'équilibre de la surface de l'échantillon augmente de 52 °C pour le BiCuSeO nu à 55 °C pour la couche AuNP de 4 nm d'épaisseur/BiCuSeO et de 58 °C pour la couche AuNP de 7 nm d'épaisseur/BiCuSeO. Ceci est probablement dû au fait que la capacité calorifique C _p d'AuNPs (27 Jmol ⁻¹ K ⁻¹ ) est beaucoup plus petit que celui de BiCuSeO (99,5 Jmol ⁻¹ K ⁻¹ ), conduisant à une élévation de température plus élevée lors de l'absorption d'une quantité similaire d'énergie lumineuse [29, 30]. De plus, l'introduction de la couche amorphe d'AuNP peut réduire la perte de réflectance de la lumière à la surface lisse du film BiCuSeO. Tous ces effets se résument pour augmenter le gradient vertical de température établi dans le film BiCuSeO.

La figure 3 illustre les réponses de tension des films BiCuSeO inclinés avec et sans revêtement de la couche AuNPs ultra-mince lors de l'éclairage d'une lampe au xénon. Lorsque la lumière est allumée, des signaux de tension en circuit ouvert sont détectés dans tous les échantillons. De plus, l'amplitude du signal de tension induite par la lumière, V _p , augmente considérablement après l'introduction de la couche d'AuNPs ultra-mince. Par exemple, pour le film BiCuSeO avec la couche AuNPs de 4 nm d'épaisseur, la valeur de V _p est de 0,27 µmV, ce qui est environ deux fois plus grand que celui du film nu (0,13 µmV). Ce résultat révèle que la couche d'AuNPs ultra-mince de quelques nanomètres d'épaisseur peut grandement améliorer la sensibilité à la tension R _s de l'effet LITT sous le rayonnement lumineux continu.

Réponses en tension d'échantillons nus de BiCuSeO et AuNPs/BiCuSeO sous un éclairage au xénon

Pour vérifier si la couche d'AuNPs ultra-mince est également efficace dans le cas d'un rayonnement lumineux pulsé, nous avons effectué les mesures LITT en utilisant un laser pulsé de 308 nm comme source lumineuse. La figure 4a représente les réponses de tension des échantillons de film au rayonnement lumineux pulsé. Le signal de tension induit par la lumière pulsée dans le film BiCuSeO incliné est également considérablement amélioré après le revêtement de la couche ultra-mince d'AuNPs. La valeur de V _p passe de 3,8  V pour le BiCuSeO nu à 8,1  V pour le film recouvert de la couche AuNP de 4 nm d'épaisseur, ce qui entraîne une amélioration de R _s de 1,3 à 2,7  V/mJ, comme le montre la figure 4b. En plus de R _s , temps de décroissance τ _d , toujours obtenu en ajustant la partie d'atténuation du signal de tension induite, est un autre paramètre important pour évaluer les caractéristiques de l'effet LITT pour la source laser pulsée. Il est clair que τ _d sur la figure 4b diminue de façon monotone de 1,5 s pour le BiCuSeO nu à 0,8 s pour les AuNPs/BiCuSeO de 7 nm d'épaisseur. La réduction de τ _d est différent du rapport dans, et cela peut être causé par la structure ultra-mince ainsi que par l'effet de connectivité électrique de la couche AuNPs.

un Réponses en tension d'échantillons nus de BiCuSeO et AuNPs/BiCuSeO sur un éclairage laser pulsé à 308 nm. b Sensibilité à la tension R _s et temps de décroissance τ _d de ces tensions

Il est à noter ici que dans les deux cas d'irradiation lumineuse continue et pulsée, la valeur de R _s montre une tendance à la baisse lorsque l'épaisseur de la couche AuNPs augmente à 7  nm bien qu'elle soit toujours supérieure à la valeur d'origine obtenue à partir du film nu. Ce comportement peut être dû à l'effet parallèle de la couche AuNPs. Il est connu que la connexion d'une résistance parallèle avec une faible résistance dans le circuit de mesure conduira à un V réduit _p et un temps de réponse plus rapide [8, 10, 30]. Dans ce travail, la couche ultra-mince d'AuNPs peut être considérée comme une résistance connectée en parallèle avec le film BiCuSeO. Lorsque l'épaisseur de la couche AuNPs augmente de 4 à 7 nm, sa résistance diminue de 54 à 7,6 KΩ. Comme le montre la figure 5, connecter une résistance de 7,6 KΩ en parallèle avec le film BiCuSeO entraîne en effet la réduction à la fois de l'amplitude et du temps de décroissance τ _d du signal de tension de sortie. Afin de vérifier la rationalité de l'explication, nous avons également effectué la mesure LITT sur un échantillon avec une couche d'AuNPs de 20 nm d'épaisseur sous l'illumination du laser pulsé de 308 nm :ici, la couche d'AuNPs est continue et montre une résistance plus faible en comparaison avec le film de 4 ou 7 nm d'épaisseur. À mesure que l'épaisseur de la couche AuNPs augmente, les valeurs de V _p ainsi que τ _d continuer à baisser (comme on le voit dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S2).

Réponses en tension du BiCuSeO nu sur un éclairage laser pulsé à 308 nm avant et après avoir connecté une résistance de 7,6 KΩ en parallèle

Conclusions

En conclusion, une couche d'absorption de lumière AuNPs ultra-mince de quelques nanomètres d'épaisseur a été introduite pour améliorer la sensibilité en tension de l'effet LITT dans le c Film BiCuSeO incliné à -axes. Dans les deux cas d'irradiation lumineuse continue et pulsée, l'amplitude du signal de tension de sortie (V _p ) de l'effet LITT a augmenté plus de deux fois après la pulvérisation d'une couche d'AuNPs de 4 nm d'épaisseur sur le film BiCuSeO incliné. Cela peut être attribué à l'efficacité de conversion photo-thermique améliorée de la structure AuNPs/BiCuSeO. Cependant, lorsque l'épaisseur de la couche AuNPs est devenue plus épaisse, l'effet de connectivité électrique accru de la couche AuNPs a supprimé une nouvelle amélioration de R _s . Ces résultats peuvent fournir des indications utiles pour la conception de détecteurs optiques de type thermique hautes performances basés sur l'effet LITT.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

τ _d :

Temps de chute de la tension induite

AuNP :

Nanoparticules d'or

HRTEM :

Microscopie électronique à transmission haute résolution

LITT :

Thermoélectrique transverse induit par la lumière

R _s :

Sensibilité à la tension

SEM :

Microscope électronique à balayage

V _p :

Ampleur de la tension induite