YBa2Cu3O7-δ薄膜激光功率计

　　1　引　言

　　氧化物高温超导体在经历十余年的研究发展后,已逐步形成一门独特的学科,并有极具潜力的应用前景。它的应用主要集中在电磁(辐射)测量、能量贮备器件等,如:超导量子干涉器件(SQUID)[1, 2]、超导电流引线[3]、高温超导热电子混频器[4]、红外探测器[5~7]、红外热成像[8, 9]等。近几年来,人们在YBa2Cu3O7-δ(YBCO)类高温超导薄膜中发现了另一种光热辐射感生电压效应,这是由于YBCO薄膜中各向异性塞贝克(Seebeck)系数引起的,目前,基于这种效应的应用已初露锋芒[5, 10]。

　　本文基于Seebeck效应的原理,提出器件设计与应用,给出红外(1·064μm)、可见(0·532μm)、紫外(0·308μm)脉冲激光下及调制后的连续He-Ne(0·6328μm)激光辐射的器件响应,并对测量结果进行分析,指出该器件的改善途径和应用前景。

　　2　原　理

　　近几年来,国内外对高温超导体的热电势(Seebeck效应)进行了广泛深入的研究[5, 10~14]。热电势也就是温差电现象(Seebeck effect)。最常见的是在两种金属的界面上,如热电偶,当冷热端温度不同时,会在热电偶两端产生电压。具有各向异性的晶体材料中也有温差电效应,例如倾斜衬底上生长的YBCO薄膜。微观上可以认为导电层和绝缘层就是一组热电元件,所以也有人称图1所示的结构为原子层热电堆器件[15, 16]。在这类材料中,一个与时间有关的温度梯度,将产生一热电场

　　其中S为晶体的Seebeck张量。对于倾斜衬底上生长的YBCO晶体材料,经坐标变换(见图1的坐标系)之后,Seebeck张量具有以下形式[5, 16, 17]

　　其中,Sab,Sc分别为YBCO在a-b平面内和c轴方向上的Seebeck张量的分量,α是外延薄膜法向对c轴的倾角。假设光照垂直于薄膜表面,将(2)式代入(1)式,并沿x方向在光照长度上积分,得到热电压的表达式

　　其中Ux为沿x方向在长度lx内获得的电压,ΔTz为沿z轴方向产生的温差,该温差可以是YBCO膜吸收光脉冲、黑体辐射或其他辐射后引起薄膜上下表面的温度不同。d为膜厚。从(3)式可知,热电压正比于z方向的温差、样品长度lx和倾角α。晶体的Seebeck张量元各向异性(Sab-Sc)越大,所产生的热电压也越大。同时, Ux反比于薄膜厚度d,d越小, Ux越大。这不仅有利于器件灵敏度的提高,也有利于器件的小型化。然而,在薄膜厚度减小的情况下,如何控制外延膜的质量也是制膜工艺上的一个重要问题。P. X. Zhang等[14]研究了Ux与膜厚d的关系,发现在现有工艺条件下,d约为300 nm时Ux极大,这为设计器件提供了实际的基础。

　　(3)式表明热电压完全是由温度梯度引起的,只要存在温度梯度ΔTz,就存在感生电压。由于YBCO薄膜在很宽的波长范围内的光吸收都很强,所以,对于光热辐射的响应,它覆盖了很宽的频谱,包括红外、可见和紫外[5]。