Peningkatan Signifikan Efek Termoelektrik Transversal Terinduksi Cahaya pada Film BiCuSeO Miring dengan Lapisan Nanopartikel Emas Ultra Tipis
Abstrak
Peningkatan signifikan efek termoelektrik transversal terinduksi cahaya (LITT) pada film BiCuSeO miring telah dicapai melalui perkenalan lapisan ultra tipis dari nanopartikel emas (AuNPs) dengan ketebalan beberapa nanometer. Dalam kedua kasus radiasi cahaya terpulsed dan kontinu, kenaikan sekitar dua kali dalam sensitivitas tegangan LITT diamati pada film BiCuSeO yang dilapisi lapisan AuNPs 4-nm. Ini dapat dikaitkan dengan peningkatan efisiensi konversi foto-termal dalam efek LITT karena penggunaan yang efisien dari cahaya insiden oleh lapisan AuNPs. Lapisan AuNPs yang lebih tebal akan menekan kenaikan sensitivitas tegangan karena efek konektivitas listrik. Pekerjaan ini menyediakan strategi efektif untuk mengoptimalkan performa detektor optik tipe termal berdasarkan efek LITT.
Pendahuluan
Efek termoelektrik transversal terinduksi cahaya (LITT) adalah fenomena termoelektrik khusus di mana aliran listrik dan panas dalam material saling tegak lurus. Efek ini berasal dari anisotropi koefisien Seebeck dan hanya dapat terdeteksi pada struktur miring [1, 2]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, ketika permukaan film yang dipiringkan c-axis diinjak oleh cahaya, selisih suhu ΔTz antara permukaan film dan dasar terbentuk sepanjang sumbu z karena penyerapan cahaya insiden, yang akan menghasilkan sinyal tegang termal Vx sepanjang arah sumbu x. Tegangan yang diinduksi Vx dapat dinyatakan sebagai:
di mana l, d, dan α adalah diameter titik cahaya pada film, ketebalan film, dan sudut kemiringan c-axis terhadap normal permukaan film, masing-masing. ΔS = Sab − Sc adalah selisih koefisien Seebeck pada bidang ab dan sepanjang arah c-axis film [2].
Dalam beberapa tahun terakhir, efek LITT telah menarik perhatian besar karena potensi aplikasinya dalam detektor optik tak pendingin yang berdaya sendiri. Studi luas telah dilakukan pada film miring YBa2Cu3O7-δ, La1-xCaxMnO3, CaxCoO2, Bi2Sr2Co2Oy, La0.9Sr0.1NiO3, SrTi1−xNbxO3, dll. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]. Namun, sensitivitas tegangan Rs, yang didefinisikan sebagai rasio amplitudo tegangan keluaran Vp terhadap energi cahaya insiden E yang ditembakkan pada film, yang diperoleh dari film ini belum cukup untuk aplikasi praktis dalam detektor optik. Baru-baru ini, untuk meningkatkan Rs, lapisan emas hitam atau nanow karbon dengan ketebalan beberapa mikrometer (μm) dilapisi pada permukaan film oleh Takahashi et al. dan Wang et al. [15,16,17,18]. Lapisan emas hitam atau nanow karbon dapat bertindak sebagai lapisan penyerap cahaya, yang diharapkan dapat meningkatkan efisiensi konversi foto-termal efek LITT dan meningkatkan nilai ΔTz. Strategi ini terbukti sangat efektif untuk radiasi cahaya kontinu. Namun, untuk radiasi cahaya terpulsed, perkenalan lapisan penyerap cahaya mikrometer-tebal resulted in penurunan yang signifikan dalam Rs, menurun ke hanya sekitar 0,5% dari nilai aslinya. Meskipun lapisan penyerap cahaya mikrometer-tebal meningkatkan pemanfaatan cahaya insiden, ia sangat menekan energi termal input dari radiasi cahaya terpulsed karena waktu relaksasi termal yang terlalu panjang dalam seluruh sistem, yang pada akhirnya mengakibatkan penurunan ΔTz [15]. Lapisan nanopartikel emas (AuNPs) ultra tipis memainkan perannya yang cukup signifikan dalam ilmu material karena properti kimia dan fisik uniknya, yang telah digunakan luas dalam banyak bidang seperti fotonika, penapanan surya, sensorik biologis, pemantulan Raman yang ditingkatkan permukaan, dan aplikasi spektroskopi molekuler [19,20,21]. Dalam paper ini, kami mengeksplorasi penggunaan lapisan AuNPs ultra tipis, dengan ketebalan 4–7 nm, sebagai lapisan penyerap cahaya untuk meningkatkan sensitivitas tegangan Rs efek LITT pada film BiCuSeO yang miring. Senyawa ini adalah material termoelektrik yang menjanjikan baru dengan struktur lapisan anisotrop [22,23,24,25], yang menjadikannya material 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 dikendalikan oleh film BiCuSeO. Dalam kedua kasus radiasi cahaya kontinu dan terpulsed, kenaikan sekitar dua kali dalam Rs telah dicapai dengan memutar lapisan AuNPs 4-nm pada film BiCuSeO. Ketika ketebalan lapisan AuNPs meningkat ke sekitar 7 nm, kontribusi lapisan AuNPs terhadap resistansi seluruh struktur (Au/BiCuSeO) tidak dapat lagi diabaikan karena konduktivitas listrik yang baiknya, yang akan menekan kenaikan Rs.
Metode
Persiapan Film BiCuSeO dan Lapisan AuNPs
Dalam pekerjaan ini, film BiCuSeO yang dipiringkan c-axis dengan ketebalan sekitar 150 nm dibuat dengan menggunakan ablasi laser terpulsed 308-nm dari target keramik BiCuSeO di bawah atmosfer argon murni tinggi. Sudut kemiringan film diatur oleh sudut ketidaksamaan substrat. Di sini, substrat kristal tunggal LaAlO3 (001) miscut 20° digunakan. Detail pembuatan film dan karakterisasi struktural dapat ditemukan dalam paper kami sebelumnya [25,26,27]. Lapisan AuNPs, dengan ketebalan 4 dan 7 nm masing-masing, dilapisi pada film BiCuSeO yang miring dengan teknik sputtering. Selama proses sputtering, tekanan gas Ar dalam ruang diatur pada 0,1 Pa, suhu substrat dipertahankan pada 300 K, dan arus sputtering adalah 6 mA.
Karakterisasi
SEM dan HRTEM digunakan untuk menunjukkan gambar permukaan dan penampang lintang lapisan AuNPs. Untuk memperkirakan karakteristik penyerapan cahaya dan konversi foto-termal film BiCuSeO serta lapisan AuNPs ultra tipis, spektrum penyerapan cahaya BiCuSeO murni, lapisan AuNPs, dan AuNPs/BiCuSeO diukur dengan spektrofotometer Hitachi U-4100, masing-masing.
Performa Termoelektrik
Kami melakukan pengukuran resistansi listrik ρ dan koefisien Seebeck S pada film BiCuSeO dengan densitas pembawa sekitar 6,6 × 10−19 cm−3, seperti yang ditunjukkan pada Berkas Tambahan 1: Gambar S1. Pada suhu ruangan, resistansi listrik bidang ab dan koefisien Seebeck film BiCuSeO sekitar 11,5 mΩ cm dan 204 μV/K, menghasilkan faktor daya sekitar 0,36 mW/mK2. Konduktivitas termal luar bidang sampel film ini diukur dengan Laser flash Analyser tipis film Linseis (TF-LFA), dan sekitar 0,24 W/mK pada suhu ruangan.
Pengukuran Efek LITT
Untuk pengukuran efek LITT, dua elektroda indium yang dipisahkan sekitar 8 mm ditetapkan pada permukaan film sepanjang arah sumbu x, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Laser terpulsed 308-nm dengan densitas energi 0,2 mJ/mm2 dan lampu Xenon dengan densitas daya 350 mW/cm2 digunakan sebagai sumber cahaya. Untuk menghindari efek Dember, titik cahaya (3 mm × 5 mm) pada film terletak pada posisi tengah antara dua elektroda. Sinyal tegangan LITT direkam oleh osiloskop digital yang diakhiri ke 1 MΩ (Agilent DSO9254A) dan sumber meter 2700 Keithley untuk radiasi cahaya terpulsed dan kontinu, masing-masing.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1b menunjukkan gambar HRTEM film BiCuSeO yang tumbuh pada substrat LaAlO3 (001) miscut 20°. Terlihat jelas bahwa film tumbuh sepanjang sumbu c dan sumbu c-nya miring sekitar 20° dari normal permukaan film. Gambar 1c dan d menampilkan gambar permukaan SEM lapisan AuNPs 4 dan 7-nm, masing-masing. AuNPs membentuk lapisan emas kontinu, di mana AuNPs bersentuhan satu sama lain tetapi tidak sepenuhnya terlebur. Rata-rata ukuran AuNPs di bawah 10 nm untuk lapisan AuNP 4-nm, dan tumbuh lebih besar ketika ketebalan film meningkat ke 7 nm. Pengukuran XRD kedua lapisan AuNPs tidak menunjukkan puncak difraksi yang jelas dari Au, yang mengindikasikan fitur amorf lapisan AuNPs. Gambar 1e menunjukkan gambar HRTEM penampang lintang antarmuka AuNPs (7 nm)/BiCuSeO, yang mengindikasikan kontak yang baik antara AuNPs dan permukaan film BiCuSeO. Kami yakin bahwa ketebalan yang sangat tipis lapisan AuNPs serta kontak AuNPs/BiCuSeO yang baik akan membantu menekan waktu relaksasi termal dari energi panas input dalam efek LITT, yang akan sangat penting untuk radiasi cahaya terpulsed. Gambar 1f menunjukkan kurva arus-tegangan (I-V) antara dua elektroda pada film BiCuSeO yang miring, di mana perilaku konduktif linier mengonfirmasi kontak Ohmik yang sempurna antara elektroda dan film. Inset Gambar 1f menunjukkan resistansi AuNPs/BiCuSeO. Ia menurun dari 3,2 KΩ untuk BiCuSeO murni ke 3,02 KΩ untuk AuNPs/BiCuSeO 4-nm dan 2,25 KΩ untuk AuNPs/BiCuSeO 7-nm. Penurunan resistansi disarankan berasal dari kontribusi lapisan AuNPs. Seiring bertambahnya ketebalan lapisan AuNPs, ia menjadi lebih konduktif listrik, menghasilkan penurunan resistansi seluruh struktur AuNPs/BiCuSeO.
a Ilustrasi skematis efek LITT pada film yang dipiringkan c-axis dilapisi lapisan AuNP. b Gambar HRTEM film BiCuSeO yang tumbuh pada substrat LaAlO3 (001) miscut 20°. c–d Gambar SEM lapisan AuNP dengan ketebalan 4 dan 7 nm, masing-masing. e Gambar HRTEM sampel AuNP (7 nm)/BiCuSeO. f Kurva I–V 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 setelah dilapisi lapisan AuNPs. Perkenalan lapisan AuNP beberapa nanometer hanya menyebabkan kenaikan ringan dalam penyerapan cahaya karena transmisi yang tinggi lapisan AuNPs ultra tipis. Untuk memberikan lebih banyak informasi, spektrum penyerapan cahaya lapisan AuNPs 4 dan 7-nm juga ditampilkan pada inset Gambar 2a. Puncak pada sekitar 280 nm (~ 4,4 eV) berasal dari transisi antar-band, yang sesuai dengan jarak L emas [28]. Seharusnya disebutkan di sini bahwa AuNPs dalam lapisan ultra tipis tidak terpisah tetapi bersentuhan satu sama lain. Oleh karena itu, kami tidak mengamati puncak resonansi plasmon AuNPs sekitar 550 nm serta geseran spektral antara puncak kedua lapisan ketika bertambahnya jumlah emas.
a Spektrum penyerapan cahaya sampel BiCuSeO murni dan AuNPs (7 nm)/BiCuSeO. Inset adalah spektrum penyerapan cahaya lapisan Au dengan ketebalan 4 nm dan 7 nm. b Kurva pemanasan sampel BiCuSeO murni dan AuNPs/BiCuSeO di bawah sinar lampu Xenon
Untuk memperkirakan efek lapisan AuNPs ultra tipis terhadap efisiensi konversi foto-termal film BiCuSeO, kami mengukur kurva pemanasan BiCuSeO murni dan sampel AuNPs/BiCuSO di bawah sinar lampu Xenon, yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Terlihat jelas bahwa lapisan AuNPs ultra tipis sangat efektif untuk meningkatkan efisiensi konversi foto-termal film BiCuSeO meskipun ada kenaikan ringan dalam penyerapan cahaya. Suhu tetap permukaan sampel meningkat dari 52 °C untuk BiCuSeO murni ke 55 °C untuk lapisan AuNP 4-nm/BiCuSeO dan 58 °C untuk lapisan AuNP 7-nm/BiCuSeO. Ini mungkin karena fakta bahwa kapasitas panas Cp AuNPs (27 Jmol−1 K−1) jauh lebih kecil dari BiCuSeO (99,5 Jmol−1 K−1, yang menyebabkan kenaikan suhu yang lebih tinggi ketika menyerap jumlah energi cahaya yang serupa [29, 30]. Selain itu, perkenalan lapisan AuNP amorf dapat mengurangi kehilangan refleksi cahaya pada permukaan film BiCuSeO yang halus. Semua efek ini bertambah untuk meningkatkan gradien suhu vertikal yang terbentuk dalam film BiCuSeO.
Gambar 3 mengilustrasikan respons tegangan film BiCuSeO yang miring dengan dan tanpa lapisan AuNPs ultra tipis di bawah sinar lampu Xenon. Ketika cahaya dinyalakan, sinyal tegangan open-circuit terdeteksi pada semua sampel. Selain itu, magnitudo sinyal tegangan terinduksi cahaya, Vp, meningkat secara signifikan setelah perkenalan lapisan AuNPs ultra tipis. Sebagai contoh, untuk film BiCuSeO dengan lapisan AuNPs 4-nm, nilai Vp adalah 0,27 mV, yang sekitar dua kali lebih besar dari film murni (0,13 mV). Hasil ini mengungkapkan bahwa lapisan AuNPs ultra tipis dengan ketebalan beberapa nanometer dapat sangat meningkatkan sensitivitas tegangan Rs efek LITT di bawah radiasi cahaya kontinu.
Respons tegangan sampel BiCuSeO murni dan AuNPs/BiCuSeO di bawah sinar Xenon
Untuk memeriksa apakah lapisan AuNPs ultra tipis juga efektif dalam kasus radiasi cahaya terpulsed, kami melakukan pengukuran LITT dengan menggunakan laser terpulsed 308-nm sebagai sumber cahaya. Gambar 4a adalah respons tegangan sampel film di bawah radiasi cahaya terpulsed. Sinyal tegangan terinduksi cahaya terpulsed pada film BiCuSeO yang miring juga sangat meningkat setelah dilapisi lapisan AuNPs ultra tipis. Nilai Vp meningkat dari 3,8 V untuk BiCuSeO murni ke 8,1 V untuk film yang dilapisi lapisan AuNP 4-nm, menghasilkan peningkatan Rs dari 1,3 ke 2,7 V/mJ, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Selain Rs, waktu pengurai τd, yang selalu diperoleh dengan memasang bagian penurunan sinyal tegangan yang diinduksi, adalah parameter lain yang penting untuk mengevaluasi karakteristik efek LITT untuk sumber laser terpulsed. Terjadi bahwa τd pada Gambar 4b monoton menurun dari 1,5 μs untuk BiCuSeO murni ke 0,8 μs untuk AuNPs/BiCuSeO 7-nm. Penurunan τd berbeda dari laporan sebelumnya, dan mungkin disebabkan oleh struktur ultra tipis serta efek konektivitas listrik lapisan AuNPs.
a Respons tegangan sampel BiCuSeO murni dan AuNPs/BiCuSeO di bawah sinar laser terpulsed 308-nm. b Sensitivitas tegangan Rs dan waktu pengurai τd dari tegangan ini
Seharusnya disebutkan di sini bahwa dalam kedua kasus radiasi cahaya kontinu dan terpulsed, nilai Rs menunjukkan tendensi menurun ketika ketebalan lapisan AuNPs meningkat ke 7 nm meskipun masih lebih tinggi dari nilai asli yang diperoleh dari film murni. Perilaku ini mungkin disebabkan oleh efek paralel lapisan AuNPs. Diketahui bahwa menghubungkan resistor paralel dengan resistansi kecil dalam rangkaian pengukuran akan mengakibatkan penurunan Vp dan waktu respons yang lebih cepat [8, 10, 30]. Dalam pekerjaan ini, lapisan AuNPs ultra tipis dapat dianggap sebagai resistor yang disatukan paralel dengan film BiCuSeO. Seiring bertambahnya ketebalan lapisan AuNPs dari 4 ke 7 nm, resistansinya menurun dari 54 ke 7,6 KΩ. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, menghubungkan resistor 7,6 KΩ secara paralel dengan film BiCuSeO memang menghasilkan penurunan amplitudo dan waktu pengurai τd dari sinyal tegangan keluaran. Untuk memverifikasi kebenaran penjelasan ini, kami juga melakukan pengukuran LITT pada sampel dengan lapisan AuNPs 20-nm di bawah sinar laser terpulsed 308 nm: di sini, lapisan AuNPs kontinu dan menunjukkan resistansi yang lebih kecil dibandingkan film 4 atau 7-nm. Seiring bertambahnya ketebalan lapisan AuNPs, nilai Vp dan τd terus menurun (seperti yang terlihat pada Berkas Tambahan 1: Gambar S2).
Respons tegangan BiCuSeO murni di bawah sinar laser terpulsed 308 nm sebelum dan setelah menghubungkan resistor 7,6 KΩ secara paralel
Kesimpulan
Secara kesimpulan, lapisan penyerap cahaya AuNPs ultra tipis dengan ketebalan beberapa nanometer diperkenalkan untuk meningkatkan sensitivitas tegangan efek LITT pada film BiCuSeO yang dipiringkan c-axis. Dalam kedua kasus radiasi cahaya kontinu dan terpulsed, magnitudo sinyal tegangan keluaran (Vp) efek LITT meningkat lebih dari dua kali setelah memutar lapisan AuNPs 4-nm pada film BiCuSeO yang miring. Ini dapat dikaitkan dengan peningkatan efisiensi konversi foto-termal 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 yang berperforma tinggi berdasarkan efek LITT.
