Efek Termoelektrik Transversal Terinduksi Cahaya yang Disempurnakan dalam Film BiCuSeO Miring melalui Lapisan AuNPs Ultra-tipis
Abstrak
Peningkatan signifikan dari efek termoelektrik transversal yang diinduksi cahaya (LITT) dalam film BiCuSeO yang dimiringkan telah dicapai melalui pengenalan lapisan ultra-tipis nanopartikel emas (AuNPs) dengan ketebalan beberapa nanometer. Dalam kedua kasus iradiasi cahaya berdenyut dan terus menerus, sekitar dua kali kenaikan sensitivitas tegangan LITT diamati untuk film BiCuSeO yang dilapisi dengan lapisan AuNPs setebal 4 nm. Ini dapat dianggap berasal dari peningkatan efisiensi konversi foto-termal dalam efek LITT karena penggunaan yang efisien dari cahaya insiden lapisan AuNPs. Lapisan AuNPs yang lebih tebal akan menekan kenaikan sensitivitas tegangan karena efek konektivitas listrik. Karya ini memberikan strategi yang efektif untuk mengoptimalkan kinerja detektor optik tipe termal berdasarkan efek LITT.
Pengantar
Efek termoelektrik transversal yang diinduksi cahaya (LITT) adalah fenomena termoelektrik khusus di mana fluks listrik dan panas dalam material saling tegak lurus. Efek ini berasal dari anisotropi koefisien Seebeck dan hanya dapat dideteksi pada struktur miring [1, 2]. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1a, ketika permukaan a c -film miring sumbu diterangi oleh cahaya, perbedaan suhu ΔTz antara permukaan film dan bagian bawah dibuat di sepanjang z -sumbu karena penyerapan cahaya datang, yang akan menghasilkan sinyal tegangan termal Vx sepanjang x -arah sumbu. Tegangan induksi Vx dapat dinyatakan sebagai:
dimana l , d , dan α adalah diameter titik cahaya pada film, ketebalan film, dan sudut kemiringan c- sumbu sehubungan dengan permukaan film normal, masing-masing. S =SabSc adalah perbedaan koefisien Seebeck di ab -pesawat dan di sepanjang c -arah sumbu film [2].
Dalam beberapa tahun terakhir, efek LITT telah menarik perhatian besar karena aplikasi potensial dalam detektor optik tanpa pendinginan yang digerakkan sendiri. Studi ekstensif telah dilakukan pada film miring YBa2 Cu3 O7-δ , La1-x Cax MnO3 , Cax CoO2 , Dua2 Sr2 Rekan2 Oy , La0,9 Sr0.1 NiO3 , SrTi1−x Nbx O3 , dst. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]. Namun, sensitivitas tegangan Rs , yang didefinisikan sebagai rasio amplitudo tegangan keluaran Vp dengan energi cahaya insiden E disinari pada film, diperoleh dari film ini belum cukup untuk aplikasi praktis dalam detektor optik. Baru-baru ini, untuk meningkatkan Rs , lapisan nanotube emas hitam atau karbon dengan ketebalan beberapa mikrometer (μm) dilapisi pada permukaan film oleh Takahashi et al. dan Wang dkk. [15,16,17,18]. Lapisan emas hitam atau karbon nanotube dapat bertindak sebagai lapisan penyerapan cahaya, yang diharapkan dapat meningkatkan efisiensi konversi foto-termal dari efek LITT dan meningkatkan nilai Tz . Strategi ini terbukti sangat efektif untuk penyinaran cahaya terus menerus. Sementara untuk iradiasi cahaya berdenyut, pengenalan lapisan serapan cahaya setebal mikrometer menghasilkan penurunan yang signifikan dalam Rs , berkurang menjadi hanya sekitar 0,5% dari nilai aslinya. Meskipun lapisan serapan cahaya setebal mikrometer meningkatkan pemanfaatan cahaya yang datang, lapisan ini sangat menekan energi panas input dari iradiasi cahaya berdenyut karena waktu relaksasi termal yang terlalu lama di seluruh sistem, yang pada akhirnya menyebabkan penurunan Tz [15]. Lapisan nanopartikel emas ultra-tipis (AuNPs) memainkan peran yang cukup signifikan dalam ilmu material karena sifat kimia dan fisiknya yang unik, yang telah banyak digunakan di berbagai bidang seperti fotonik, pemanenan surya, penginderaan biologis, hamburan Raman yang ditingkatkan permukaan. , dan aplikasi spektroskopi molekuler [19,20,21]. Dalam makalah ini, kami mengeksplorasi penggunaan lapisan AuNPs ultra-tipis, dengan ketebalan 4–7 nm, sebagai lapisan penyerapan cahaya untuk meningkatkan sensitivitas tegangan Rs efek LITT dalam film miring BiCuSeO. Senyawa ini merupakan bahan termoelektrik baru yang menjanjikan dengan struktur berlapis anisotropik [22,23,24,25], yang menjadikannya bahan kandidat yang baik untuk studi efek LITT [26, 27]. Karena proses relaksasi termal dalam lapisan AuNPs ultra-tipis sangat cepat dan dapat diabaikan, proses relaksasi termal dalam sistem AuNPs/BiCuSeO saat ini masih diatur oleh film BiCuSeO. Dalam kedua kasus penyinaran cahaya terus menerus dan berdenyut, sekitar dua kali kenaikan Rs telah dicapai dengan menyemprotkan lapisan AuNPs setebal 4 nm pada film BiCuSeO. Ketika ketebalan lapisan AuNPs meningkat menjadi sekitar 7 nm, kontribusi lapisan AuNPs terhadap resistivitas seluruh struktur (Au/BiCuSeO) tidak dapat diabaikan lagi karena konduktivitas listriknya yang baik, yang akan menekan kenaikan Rs .
Metode
Persiapan Film BiCuSeO dan Lapisan AuNPs
Dalam karya ini, c- film BiCuSeO miring sumbu dengan ketebalan sekitar 150 nm dibuat dengan menggunakan ablasi laser berdenyut 308-nm dari target keramik BiCuSeO di bawah atmosfer argon dengan kemurnian tinggi. Sudut kemiringan film diatur oleh sudut salah potong substrat. Di sini, 20 ° salah potong (001) LaAlO3 substrat kristal tunggal digunakan. Rincian fabrikasi film dan karakterisasi struktural dapat ditemukan di makalah kami sebelumnya [25,26,27]. Lapisan AuNPs, dengan ketebalan masing-masing 4 dan 7 nm, dilapisi pada film BiCuSeO yang dimiringkan dengan teknik sputtering. Selama proses sputtering, tekanan gas Ar dalam chamber diatur pada 0,1 Pa, suhu substrat dipertahankan pada 300 K, dan arus sputtering adalah 6 mA.
Karakterisasi
SEM dan HRTEM digunakan untuk mengilustrasikan gambar permukaan dan penampang dari lapisan AuNPs. Untuk memperkirakan karakteristik penyerapan cahaya dan konversi fototermal dari film BiCuSeO serta lapisan AuNPs ultra-tipis, spektrum penyerapan cahaya BiCuSeO telanjang, lapisan AuNPs, dan AuNPs/BiCuSeO diukur masing-masing dengan menggunakan spektrofotometer Hitachi U-4100 .
Kinerja Termoelektrik
Kami melakukan resistivitas listrik ρ dan koefisien Seebeck S pengukuran pada film BiCuSeO dengan kepadatan pembawa sekitar 6,6 × 10
−19
cm
−3
, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S1. Pada suhu kamar, ab -tahanan listrik bidang dan koefisien Seebeck dari film BiCuSeO sekitar 11,5 mΩ cm dan 204 V/K, menghasilkan faktor daya sekitar 0,36 mW/mK
2
. Konduktivitas termal di luar bidang sampel film ini diukur dengan Laser flash Analyzer (TF-LFA) film tipis Linseis, dan sekitar 0,24 W/mK pada suhu kamar.
Pengukuran Efek LITT
Untuk pengukuran efek LITT, dua elektroda indium yang dipisahkan sekitar 8 mm diendapkan pada permukaan film sepanjang x -arah sumbu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Laser berdenyut 308 nm dengan kepadatan energi 0,2 mJ/mm
2
dan lampu Xenon dengan kepadatan daya 350 mW/cm
2
digunakan sebagai sumber cahaya. Untuk menghindari efek Dember, titik cahaya (3 mm × 5 mm) pada film ditempatkan pada posisi tengah di antara dua elektroda. Sinyal tegangan LITT direkam oleh osiloskop digital yang diakhiri masing-masing menjadi 1 MΩ (Agilent DSO9254A) dan 2700 Keithley untuk iradiasi cahaya berdenyut dan kontinu.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1b menyajikan gambar HRTEM dari film BiCuSeO yang ditumbuhkan pada LaAlO 20° yang salah potong3 (001) substrat. Dapat dilihat dengan jelas bahwa film tumbuh di sepanjang c -sumbu dan c -sumbu dimiringkan sekitar 20° dari permukaan film normal. Gambar 1c dan d menampilkan gambar permukaan SEM dari lapisan AuNPs setebal 4 dan 7 nm, masing-masing. AuNPs membentuk lapisan emas kontinu, di mana AuNPs bersentuhan satu sama lain tetapi tidak sepenuhnya menyatu. Ukuran rata-rata AuNPs di bawah 10 nm untuk lapisan AuNP setebal 4-nm, dan itu tumbuh lebih besar ketika ketebalan film meningkat menjadi 7 nm. Pengukuran XRD dari kedua lapisan AuNPs tidak menunjukkan puncak difraksi yang jelas dari Au, menunjukkan fitur amorf dari lapisan AuNPs. Gambar 1e menyajikan gambar HRTEM penampang antarmuka AuNPs (7 nm)/BiCuSeO, yang menunjukkan kontak yang baik antara AuNPs dan permukaan film BiCuSeO. Kami percaya bahwa ketebalan lapisan AuNPs yang sangat tipis serta antarmuka AuNPs/BiCuSeO yang baik akan membantu untuk menekan waktu relaksasi termal dari energi panas masukan dalam efek LITT, yang akan sangat penting untuk iradiasi cahaya berdenyut. Gambar 1f menunjukkan tegangan arus (I -V ) kurva antara dua elektroda pada film BiCuSeO miring, di mana perilaku konduktif linier menegaskan kontak Ohmik sempurna antara elektroda dan film. Sisipan Gambar 1f menunjukkan resistansi AuNPs/BiCuSeO. Ini menurun dari 3,2 KΩ untuk BiCuSeO telanjang menjadi 3,02 KΩ untuk AuNPs/BiCuSeO setebal 4 nm dan 2,25 KΩ untuk AuNPs/BiCuSeO setebal 7 nm. Pengurangan resistensi diduga berasal dari kontribusi lapisan AuNPs. Saat ketebalan lapisan AuNPs meningkat, lapisan tersebut menjadi lebih konduktif secara elektrik, menghasilkan penurunan resistensi dari seluruh struktur AuNPs/BiCuSeO.
a Ilustrasi skema efek LITT dalam c -film miring sumbu dilapisi dengan lapisan AuNP. b Gambar HRTEM dari film BiCuSeO yang ditumbuhkan pada LaAlO yang salah potong 20°3 (001) substrat. c –d Gambar SEM dari lapisan AuNP dengan ketebalan masing-masing 4 dan 7 nm. e Gambar HRTEM sampel AuNP (7 nm)/BiCuSeO. fAku –V kurva antara dua elektroda indium pada sampel yang berbeda. Inset adalah variasi resistansi sampel AuNPs/BiCuSeO dengan ketebalan lapisan AuNP
Gambar 2a menampilkan spektrum penyerapan cahaya film BiCuSeO sebelum dan sesudah melapisi lapisan AuNPs. Pengenalan lapisan AuNP setebal beberapa nanometer hanya menyebabkan sedikit peningkatan dalam penyerapan cahaya karena transmitansi yang tinggi dari lapisan AuNPs ultra-tipis. Untuk memberikan informasi lebih lanjut, spektrum penyerapan cahaya dari lapisan AuNPs setebal 4 dan 7 nm juga disajikan pada sisipan Gambar 2a. Puncak di sekitar 280 nm (~ 4.4 eV) berasal dari transisi antar-band, yang sesuai dengan celah L emas [28]. Perlu disebutkan di sini bahwa AuNPs di lapisan ultra-tipis tidak terpisah tetapi bersentuhan satu sama lain. Oleh karena itu, kami tidak mengamati puncak resonansi plasmon AuNP di sekitar 550 nm serta pergeseran spektral antara puncak dua lapisan saat meningkatkan jumlah emas.
a Spektrum penyerapan cahaya sampel BiCuSeO dan AuNPs (7 nm)/BiCuSeO telanjang. Inset adalah spektrum serapan cahaya lapisan Au dengan ketebalan 4 nm dan 7 nm. b Kurva pemanasan sampel BiCuSeO dan AuNPs/BiCuSeO telanjang di bawah penerangan lampu Xenon
Untuk memperkirakan efek lapisan AuNPs ultra-tipis tersebut pada efisiensi konversi foto-termal film BiCuSeO, kami mengukur kurva pemanasan BiCuSeO telanjang serta sampel AuNPs/BiCuSO pada iradiasi lampu Xenon, yang ditunjukkan pada Gambar. 2b . Dapat dilihat dengan jelas bahwa lapisan AuNPs ultra-tipis sangat efektif untuk meningkatkan efisiensi konversi foto-termal dari film BiCuSeO meskipun ada sedikit peningkatan dalam penyerapan cahaya. Suhu kondisi tunak permukaan sampel meningkat dari 52 °C untuk BiCuSeO telanjang menjadi 55 °C untuk lapisan AuNP/BiCuSeO setebal 4 nm dan 58 °C untuk lapisan AuNP/BiCuSeO setebal 7 nm. Ini mungkin karena fakta bahwa kapasitas panas Cp dari AuNPs (27 Jmol
−1
K
−1
) jauh lebih kecil daripada BiCuSeO (99,5 Jmol
−1
K
−1
), menyebabkan kenaikan suhu yang lebih tinggi ketika menyerap energi cahaya dalam jumlah yang sama [29, 30]. Selain itu, pengenalan lapisan AuNP amorf dapat mengurangi hilangnya pantulan cahaya pada permukaan film BiCuSeO yang halus. Semua efek ini dijumlahkan untuk meningkatkan gradien suhu vertikal yang ditetapkan dalam film BiCuSeO.
Gambar 3 mengilustrasikan respons tegangan dari film BiCuSeO yang dimiringkan dengan dan tanpa melapisi lapisan AuNPs ultra-tipis pada penerangan lampu Xenon. Saat lampu dinyalakan, sinyal tegangan rangkaian terbuka terdeteksi di semua sampel. Selain itu, besarnya sinyal tegangan yang diinduksi cahaya, Vp , meningkat secara signifikan setelah memperkenalkan lapisan AuNPs ultra-tipis. Misalnya, untuk film BiCuSeO dengan lapisan AuNPs setebal 4 nm, nilai Vp adalah 0,27 mV, yaitu sekitar dua kali lebih besar dari film telanjang (0,13 mV). Hasil ini mengungkapkan bahwa lapisan AuNP yang sangat tipis dalam ketebalan beberapa nanometer dapat sangat meningkatkan sensitivitas tegangan Rs efek LITT di bawah radiasi cahaya berkelanjutan.
Respons tegangan sampel BiCuSeO dan AuNPs/BiCuSeO telanjang pada iluminasi Xenon
Untuk memeriksa apakah lapisan AuNPs ultra-tipis juga efektif dalam kasus radiasi cahaya berdenyut, kami melakukan pengukuran LITT dengan menggunakan laser berdenyut 308-nm sebagai sumber cahaya. Gambar 4 a adalah respon tegangan sampel film pada radiasi cahaya berdenyut. Sinyal tegangan yang diinduksi cahaya berdenyut dalam film BiCuSeO yang dimiringkan juga sangat ditingkatkan setelah melapisi lapisan AuNPs yang sangat tipis. Nilai Vp meningkat dari 3,8 V untuk BiCuSeO telanjang menjadi 8,1 V untuk film yang dilapisi dengan lapisan AuNP setebal 4 nm, menghasilkan peningkatan Rs dari 1,3 hingga 2,7 V/mJ, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Selain Rs , waktu peluruhan τd , selalu diperoleh dengan memasang bagian atenuasi dari sinyal tegangan induksi, merupakan parameter penting lainnya untuk mengevaluasi karakteristik efek LITT untuk sumber laser berdenyut. Jelas bahwa τd pada Gambar. 4b secara monoton menurun dari 1,5 s untuk BiCuSeO telanjang menjadi 0,8 s untuk AuNPs/BiCuSeO setebal 7 nm. Pengurangan τd berbeda dari laporan dalam, dan mungkin disebabkan oleh struktur ultra-tipis serta efek konektivitas listrik dari lapisan AuNPs.
a Respons tegangan sampel BiCuSeO dan AuNPs/BiCuSeO telanjang pada iluminasi laser berdenyut 308 nm. b Sensitivitas tegangan Rs dan waktu peluruhan τd dari tegangan ini
Perlu dicatat di sini bahwa dalam kedua kasus penyinaran cahaya terus menerus dan berdenyut, nilai Rs menunjukkan tren penurunan ketika ketebalan lapisan AuNPs meningkat menjadi 7 nm meskipun masih lebih tinggi dari nilai asli yang diperoleh dari film telanjang. Perilaku ini mungkin disebabkan oleh efek paralel dari lapisan AuNPs. Diketahui bahwa menghubungkan resistor paralel dengan resistansi kecil di sirkuit pengukuran akan menyebabkan penurunan Vp dan waktu respons yang lebih cepat [8, 10, 30]. Dalam karya ini, lapisan AuNPs ultra-tipis dapat dianggap sebagai resistor yang terhubung secara paralel dengan film BiCuSeO. Ketika ketebalan lapisan AuNPs meningkat dari 4 menjadi 7 nm, resistansinya menurun dari 54 menjadi 7,6 KΩ. Seperti ditunjukkan pada Gambar 5, menghubungkan resistor 7,6 KΩ secara paralel dengan film BiCuSeO memang menghasilkan pengurangan amplitudo dan waktu peluruhan τd dari sinyal tegangan keluaran. Untuk memverifikasi rasionalitas penjelasan, kami juga melakukan pengukuran LITT pada sampel dengan lapisan AuNPs setebal 20 nm di bawah iluminasi laser berdenyut 308 nm:di sini, lapisan AuNPs kontinu dan menunjukkan resistansi yang lebih kecil di dibandingkan dengan film setebal 4 atau 7 nm. Saat ketebalan lapisan AuNP meningkat, nilai Vp serta τd terus turun (seperti yang terlihat pada File tambahan 1:Gambar S2).
Respons tegangan BiCuSeO telanjang pada iluminasi laser berdenyut 308 nm sebelum dan setelah menghubungkan resistor 7,6 KΩ secara paralel
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, lapisan penyerapan cahaya AuNPs ultra-tipis dengan ketebalan beberapa nanometer diperkenalkan untuk meningkatkan sensitivitas tegangan dari efek LITT di c -film BiCuSeO miring sumbu. Dalam kedua kasus penyinaran cahaya terus menerus dan berdenyut, besarnya sinyal tegangan keluaran (Vp ) dari efek LITT meningkat lebih dari dua kali setelah menyemburkan lapisan AuNPs setebal 4 nm pada film BiCuSeO yang dimiringkan. Ini dapat dianggap berasal dari peningkatan efisiensi konversi foto-termal dari struktur AuNPs/BiCuSeO. Namun, ketika ketebalan lapisan AuNPs menjadi lebih tebal, efek konektivitas listrik yang meningkat dari lapisan AuNPs menekan peningkatan lebih lanjut dari Rs . Hasil ini dapat memberikan beberapa panduan yang berguna untuk merancang detektor optik tipe termal performa tinggi berdasarkan efek LITT.
