【摘 要】
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YBa2Cu3O7-δ是一种变形钙钛矿结构的高温超导氧化物（Tc≈90 K,δ=0～0.2）。室温常态（金属态）下,材料晶体中导电的Cu O2层和弱导电层（Ba O、Cu O和Y层）沿c轴倾斜方向交替堆垛,具有显著的输运各向异性和原子层热电堆（ALTP）特征。我们探索经过特殊的人工裁剪,即在斜切单晶衬底上生长c轴外延YBa2Cu3O7-δ薄膜,在光/热源辐照下,产生光热感生横向电压,来实现光热探测
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YBa2Cu3O7-δ是一种变形钙钛矿结构的高温超导氧化物（Tc≈90 K,δ=0～0.2）。室温常态（金属态）下,材料晶体中导电的Cu O2层和弱导电层（Ba O、Cu O和Y层）沿c轴倾斜方向交替堆垛,具有显著的输运各向异性和原子层热电堆（ALTP）特征。我们探索经过特殊的人工裁剪,即在斜切单晶衬底上生长c轴外延YBa2Cu3O7-δ薄膜,在光/热源辐照下,产生光热感生横向电压,来实现光热探测。本论文制备了c轴倾斜（0°-15°）的高温超导YBa2Cu3O7-δ/Sr Ti O3（001）外延薄膜,系统研究了薄膜在不同波长（410-2400 nm）脉冲激光、高温黑体及氙灯汞灯连续光/热辐照下的光热感生横向电压效应及机理,在此基础上,探索制作了以YBa2Cu3O7-δ外延薄膜为核心敏感元件的ALTP无源热流传感器原型,并作静态热流标定。用固相反应法以900℃/12h+950℃/15h烧结制备了结晶质量良好的高温超导YBa2Cu3O7-δ多晶靶材,超导转变温度Tc=90.6 K,300 K-900 K时多晶样品的Seebeck系数随温度增加而上升,300 K时为9.64μV/K。用脉冲激光沉积（PLD）法,在0°,5°,10°,15°斜切的Sr Ti O3（001）单晶衬底上系统生长不同厚度（沉积脉冲数:2000 P,4000 P,6000 P,8000 P,10000 P,12000 P）的YBa2Cu3O7-δ外延薄膜,沉积工艺:750～800℃/O2:40 Pa/350 m J/3Hz,退火工艺:500℃/O2:1×10~5Pa/1h。平衬底上薄膜的XRD及YBCO（103）面phi-scan结果表明薄膜为单一c轴取向的正交相YBa2Cu3O7-δ,且严格c轴外延,四次对称;对0°-15°倾斜衬底上薄膜进行θ、2θ扫描,获得薄膜与衬底的c轴倾斜角差Δθ≤0.54°,薄膜保持c轴外延。通过不同倾斜角薄膜的AFM观察,推论出平直薄膜符合层+岛状（Stranski-Krastanov）生长模式,倾斜薄膜符合台阶流动（Step-flow）生长模式。测量了0°-15°/4000 P/YBa2Cu3O7-δ/Sr Ti O3（001）外延薄膜70 K-280 K的电阻率-温度曲线,Tc～81-85.3 K,电阻率随倾角θ增加而显著增大,主要由于材料c轴方向更大的ρc在面内倾斜方向作贡献,以及薄膜面内倾斜方向上的台阶结构使缺陷、界面散射等相对平直薄膜的不均衡增加。系统测量了不同波长（410-2400 nm）脉冲激光辐照下,5°/2000 P、5°/4000 P和10°/4000P三个YBa2Cu3O7-δ/Sr Ti O3（001）薄膜样品的LITV信号响应率,归一化响应率为0.12-1.51Vcm/m J,随辐照波长增大而减小,在410-800 nm范围内显著下降,900-2400 nm下降平缓。转折点800-900 nm对应光子能量1.38-1.15 e V,与YBCO间接带隙（1.3 e V）十分接近,在410-800 nm电压响应率与辐照光波长有强烈的依赖关系,表明LITV信号中,存在与材料带隙本征关联的光电导效应;900-2400 nm属于近红外区,光子能量低,具有显著的热效应,薄膜的LITV主要是基于材料本征热电势各向异性?S的贡献。随薄膜厚度增加（2000 P→4000 P）,响应率提高。探索了连续光源氙灯（800-1000nm）和高压汞灯（320-750nm）辐照下5°、10°/4000P/YBCO/Sr Ti O3（001）薄膜的热探测,响应电压与辐照功率密度具有线性关系,氙灯下响应率～180μVcm~2/W,高压汞灯下的响应率比氙灯稍高～230μVcm~2/W,也可归因于光电导的贡献。探索了基于YBCO/Sr Ti O3（001）ALTP薄膜的热流传感器探测元件,并进行了高温黑体辐射下响应率标定,不同参数薄膜响应率在104.91-220.91μVcm~2/W范围,最高超过水冷Gardon计的180.25μV cm~2/W,是国际报道同类型ALTP器件69μV cm~2/W的3倍,响应信号线性关系优良、相关系数R-square≥0.99,重复性好,性能优异。
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