Efeito termoelétrico transversal induzido por luz aprimorado em filme BiCuSeO inclinado por meio da camada AuNPs ultrafina

Resumo

O aumento significativo do efeito termoelétrico transversal induzido pela luz (LITT) no filme BiCuSeO inclinado foi alcançado por meio da introdução de uma camada ultrafina de nanopartículas de ouro (AuNPs) com a espessura de alguns nanômetros. Em ambos os casos de irradiação de luz pulsada e contínua, um incremento de cerca de duas vezes na sensibilidade de voltagem LITT é observado para o filme BiCuSeO revestido com camada de AuNPs de 4 nm de espessura. Isso pode ser atribuído ao aumento da eficiência de conversão fototérmica no efeito LITT devido ao uso eficiente da luz incidente da camada AuNPs. Uma camada de AuNPs mais espessa suprimirá o incremento de sensibilidade de tensão devido ao efeito de conectividade elétrica. Este trabalho fornece uma estratégia eficaz para otimizar o desempenho de detectores ópticos do tipo térmico com base no efeito LITT.

Introdução

O efeito termoelétrico transversal induzido por luz (LITT) é um fenômeno termoelétrico especial no qual os fluxos elétrico e de calor no material são perpendiculares entre si. Este efeito tem origem na anisotropia do coeficiente de Seebeck e só pode ser detectado em estruturas inclinadas [1, 2]. Conforme mostrado na Fig. 1a, quando a superfície de um c - o filme inclinado do eixo é iluminado pela luz, uma diferença de temperatura Δ T _z entre a superfície do filme e o fundo é estabelecido ao longo do z -eixo devido à absorção da luz incidente, o que resultará em um sinal de tensão térmica V _x ao longo do x - direção do eixo. A tensão induzida V _x pode ser expresso como:
$$ {V} _x =\ frac {l} {2d} \ sin \ left (2 \ alpha \ right) \ cdot \ varDelta S \ cdot \ varDelta {T} _z $$ (1)
onde l , d , e α são o diâmetro do ponto de luz no filme, a espessura do filme e o ângulo inclinado do c- eixo em relação à normal da superfície do filme, respectivamente. Δ S = S _ab - S _c é a diferença do coeficiente Seebeck em ab -avião e ao longo do c direção do eixo do filme [2].

Nos últimos anos, o efeito LITT tem atraído grande atenção devido às aplicações potenciais em detectores ópticos não resfriados com alimentação própria. Estudos extensivos foram realizados em filmes inclinados de YBa ₂ Cu ₃ O _7-δ , La _1-x Ca _x MnO ₃ , Ca _x CoO ₂ , Bi ₂ Sr ₂ Co ₂ O _y , La _0.9 Sr _0.1 NiO ₃ , SrTi _{1 − x} Nb _x O ₃ , etc. [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]. No entanto, a sensibilidade da tensão R _s , que é definido como a razão da amplitude da tensão de saída V _p à energia de luz incidente E irradiado no filme, obtido a partir desses filmes ainda não é suficiente para aplicações práticas em detectores ópticos. Recentemente, para melhorar o R _s , uma camada de ouro negro ou nanotubos de carbono com a espessura de alguns micrômetros (μm) foi revestida na superfície do filme por Takahashi et al. e Wang et al. [15,16,17,18]. A camada de ouro negro ou de nanotubo de carbono pode atuar como a camada de absorção de luz, o que deve melhorar a eficiência de conversão fototérmica do efeito LITT e aumentar o valor de Δ T _z . Essa estratégia se mostrou muito eficaz para irradiação de luz contínua. Enquanto para irradiação de luz pulsada, a introdução de camada de absorção de luz com espessura de micrômetro resultou em uma deterioração significativa em R _s , reduzindo para apenas cerca de 0,5% do valor original. Embora a camada de absorção de luz com espessura de micrômetro aumente a utilização da luz incidente, ela suprime muito a energia térmica de entrada da irradiação de luz pulsada por causa do tempo de relaxamento térmico excessivamente prolongado em todo o sistema, o que eventualmente leva a uma diminuição de Δ T _z [15]. A camada de nanopartículas de ouro ultrafinas (AuNPs) desempenha um papel bastante significativo na ciência dos materiais devido às suas propriedades químicas e físicas únicas, que têm sido amplamente utilizadas em muitos campos, como fotônica, colheita solar, detecção biológica, espalhamento Raman aprimorado por superfície e aplicações de espectroscopia molecular [19,20,21]. Neste artigo, exploramos o uso da camada ultrafina de AuNPs, com uma espessura de 4-7 nm, como camada de absorção de luz para aumentar a sensibilidade à voltagem R _s do efeito LITT no filme inclinado do BiCuSeO. Este composto é um novo material termoelétrico promissor com uma estrutura anisotrópica em camadas [22,23,24,25], o que o torna um bom material candidato para o estudo do efeito LITT [26, 27]. Como o processo de relaxamento térmico na camada ultrafina de AuNPs é muito rápido e pode ser ignorado, o processo de relaxamento térmico no atual sistema AuNPs / BiCuSeO ainda é regido pelo filme BiCuSeO. Em ambos os casos de irradiação de luz contínua e pulsada, incremento de cerca de duas vezes em R _s foi obtido por pulverização catódica de uma camada de AuNPs de 4 nm de espessura no filme BiCuSeO. Quando a espessura da camada de AuNPs aumenta para cerca de 7 nm, a contribuição da camada de AuNPs para a resistividade de toda a estrutura (Au / BiCuSeO) não pode mais ser ignorada devido à sua boa condutividade elétrica, que suprimirá o incremento de R _s .

Métodos

Preparação do filme BiCuSeO e camada AuNPs

Neste trabalho, c- filmes BiCuSeO de eixo inclinado com espessura de cerca de 150 nm foram fabricados usando uma ablação a laser pulsado de 308 nm do alvo de cerâmica BiCuSeO sob uma atmosfera de argônio de alta pureza. O ângulo inclinado do filme foi regulado pelo ângulo de corte incorreto do substrato. Aqui, 20 ° miscut (001) LaAlO ₃ substratos de cristal único foram usados. Detalhes da fabricação do filme e caracterização estrutural podem ser encontrados em nossos trabalhos anteriores [25,26,27]. Camada AuNPs, com uma espessura de 4 e 7 nm, respectivamente, foi revestida no filme BiCuSeO inclinado pela técnica de sputtering. Durante o processo de pulverização catódica, a pressão do gás Ar na câmara foi ajustada em 0,1 Pa, a temperatura do substrato foi mantida em 300 K e a corrente de pulverização catódica foi de 6 mA.

Caracterização

SEM e HRTEM foram usados para ilustrar as imagens de superfície e de seção transversal da camada AuNPs. Para estimar as características de absorção de luz e conversão fototérmica do filme BiCuSeO, bem como da camada ultrafina de AuNPs, os espectros de absorção de luz de BiCuSeO nu, camada de AuNPs e AuNPs / BiCuSeO foram medidos usando um espectrofômetro Hitachi U-4100, respectivamente .

Desempenho termelétrico

Realizamos resistividade elétrica ρ e coeficiente Seebeck S medições no filme BiCuSeO com densidade de portador de cerca de 6,6 × 10 ⁻¹⁹ cm ⁻³ , conforme mostrado no Arquivo Adicional 1:Figura S1. À temperatura ambiente, o ab resistividade elétrica do plano e coeficiente de Seebeck do filme BiCuSeO foram cerca de 11,5 mΩ cm e 204 μV / K, resultando em um fator de potência de cerca de 0,36 mW / mK ² . A condutividade térmica fora do plano desta amostra de filme foi medida pelo Linseis thin film Laser flash Analyzer (TF-LFA), e foi de cerca de 0,24 W / mK à temperatura ambiente.

Medição do efeito LITT

Para a medição do efeito LITT, dois eletrodos de índio separados cerca de 8 mm foram depositados na superfície do filme ao longo do x direção do eixo, conforme mostrado na Fig. 1a. Um laser pulsado de 308 nm com densidade de energia de 0,2 mJ / mm ² e uma lâmpada de xenônio com densidade de potência de 350 mW / cm ² foram usados como fontes de luz. Para evitar o efeito Dember, o ponto de luz (3 mm × 5 mm) no filme foi localizado na posição central entre dois eletrodos. Os sinais de tensão LITT foram registrados por um osciloscópio digital terminado em 1 MΩ (Agilent DSO9254A) e um medidor de fonte Keithley 2700 para irradiações de luz pulsada e contínua, respectivamente.

Resultados e discussão

A Figura 1b apresenta a imagem HRTEM do filme BiCuSeO cultivado em um LaAlO miscut de 20 ° ₃ (001) substrato. Pode ser visto claramente que o filme cresce ao longo da c -eixo e seu c - o eixo está inclinado cerca de 20 ° de distância da superfície do filme normal. A Figura 1c e d exibem as imagens de superfície SEM da camada de AuNPs de 4 e 7 nm de espessura, respectivamente. Os AuNPs formam uma camada de ouro contínua, na qual os AuNPs estão em contato uns com os outros, mas não estão totalmente fundidos. O tamanho médio dos AuNPs é inferior a 10 nm para a camada de AuNP de 4 nm de espessura e aumenta quando a espessura do filme aumenta para 7 nm. A medição de XRD de ambas as camadas de AuNPs não mostra nenhum pico de difração óbvio de Au, indicando a característica amorfa da camada de AuNPs. A Figura 1e apresenta a imagem transversal HRTEM da interface AuNPs (7 nm) / BiCuSeO, indicando o bom contato entre os AuNPs e a superfície do filme BiCuSeO. Acreditamos que a espessura muito fina da camada AuNPs, bem como a boa interface AuNPs / BiCuSeO serão úteis para suprimir o tempo de relaxamento térmico da energia de calor de entrada no efeito LITT, que será muito importante para a irradiação de luz pulsada. A Figura 1f demonstra a corrente-tensão ( I - V ) curvas entre dois eletrodos no filme BiCuSeO inclinado, em que o comportamento condutor linear confirma contatos ôhmicos perfeitos entre o eletrodo e o filme. A inserção da Fig. 1f mostra a resistência de AuNPs / BiCuSeO. Ele diminui de 3,2 KΩ para BiCuSeO puro para 3,02 KΩ para AuNPs / BiCuSeO de 4 nm de espessura e 2,25 KΩ para AuNPs / BiCuSeO de 7 nm de espessura. Sugere-se que a redução na resistência se origine da contribuição da camada AuNPs. Conforme a espessura da camada de AuNPs aumenta, ela se torna mais condutora elétrica, resultando em uma diminuição da resistência de toda a estrutura de AuNPs / BiCuSeO.

a Ilustração esquemática do efeito LITT em a c - filme inclinado do eixo revestido com camada de AuNP. b Imagem HRTEM de um filme BiCuSeO crescido em 20 ° miscut LaAlO ₃ (001) substrato. c - d Imagens de SEM da camada AuNP com espessura de 4 e 7 nm, respectivamente. e Imagem HRTEM da amostra de AuNP (7 nm) / BiCuSeO. f eu - V curvas entre dois eletrodos de índio em amostras diferentes. A inserção é a variação da resistência das amostras de AuNPs / BiCuSeO com a espessura da camada de AuNP

A Figura 2a exibe o espectro de absorção de luz do filme BiCuSeO antes e depois de revestir a camada AuNPs. A introdução de uma camada de AuNP de poucos nanômetros de espessura leva apenas a um ligeiro incremento na absorção de luz por causa da alta transmitância da camada ultrafina de AuNPs. Para dar mais informações, o espectro de absorção de luz das camadas de AuNPs de 4 e 7 nm de espessura também é apresentado no detalhe da Fig. 2a. O pico em cerca de 280 nm (~ 4,4 eV) se origina da transição inter-bandas, que corresponde ao gap L do ouro [28]. Deve ser mencionado aqui que os AuNPs na camada ultrafina não estão separados, mas estão em contato uns com os outros. Portanto, não observamos o pico de ressonância plasmônica dos AuNPs em torno de 550 nm, bem como o deslocamento espectral entre os picos das duas camadas com o aumento da quantidade de ouro.

a Espectros de absorção de luz de amostras BiCuSeO e AuNPs (7 nm) / BiCuSeO nuas. A inserção é o espectro de absorção de luz da camada de Au com uma espessura de 4 nm e 7 nm. b Curvas de aquecimento de amostras BiCuSeO e AuNPs / BiCuSeO nuas sob a iluminação da lâmpada de xenônio

Para estimar o efeito dessa camada ultrafina de AuNPs na eficiência de conversão fototérmica de filmes BiCuSeO, medimos as curvas de aquecimento de BiCuSeO exposto, bem como amostras de AuNPs / BiCuSO sobre a irradiação com lâmpada de xenônio, que são mostradas na Fig. 2b . Pode ser visto claramente que a camada ultrafina de AuNPs é muito eficaz para melhorar a eficiência de conversão fototérmica do filme BiCuSeO, apesar do ligeiro incremento na absorção de luz. A temperatura estável da superfície da amostra aumenta de 52 ° C para BiCuSeO nu a 55 ° C para camada de AuNP de 4 nm de espessura / BiCuSeO e 58 ° C para camada de AuNP de 7 nm de espessura / BiCuSeO. Isso provavelmente se deve ao fato de que a capacidade de calor C _p de AuNPs (27 Jmol ⁻¹ K ⁻¹ ) é muito menor do que BiCuSeO (99,5 Jmol ⁻¹ K ⁻¹ ), levando a um maior aumento de temperatura ao absorver uma quantidade semelhante de energia luminosa [29, 30]. Além disso, a introdução da camada amorfa de AuNP pode reduzir a perda de refletância da luz na superfície lisa do filme BiCuSeO. Todos esses efeitos somam-se para aumentar o gradiente vertical de temperatura estabelecido no filme BiCuSeO.

A Figura 3 ilustra as respostas de voltagem dos filmes BiCuSeO inclinados com e sem revestimento da camada ultrafina de AuNPs sobre a iluminação de uma lâmpada de xenônio. Quando a luz é acesa, sinais de tensão de circuito aberto são detectados em todas as amostras. Além disso, a magnitude do sinal de tensão induzida pela luz, V _p , aumenta significativamente após a introdução da camada ultrafina de AuNPs. Por exemplo, para o filme BiCuSeO com a camada AuNPs de 4 nm de espessura, o valor de V _p é 0,27 mV, que é cerca de duas vezes maior do que o filme puro (0,13 mV). Este resultado revela que a camada ultrafina de AuNPs com alguns nanômetros de espessura pode aumentar muito a sensibilidade à voltagem R _s do efeito LITT sob a radiação de luz contínua.

Respostas de tensão de amostras BiCuSeO e AuNPs / BiCuSeO nuas após uma iluminação de xenônio

Para verificar se a camada ultrafina de AuNPs também é eficaz no caso de radiação de luz pulsada, realizamos as medições LITT usando um laser pulsado de 308 nm como fonte de luz. A Figura 4a são as respostas de voltagem das amostras de filme sobre a radiação de luz pulsada. O sinal de tensão induzida por luz pulsada no filme BiCuSeO inclinado também é bastante aprimorado após o revestimento da camada ultrafina de AuNPs. O valor de V _p aumenta de 3,8 V para BiCuSeO puro para 8,1 V para o filme revestido com a camada AuNP de 4 nm de espessura, resultando em uma melhoria de R _s de 1,3 a 2,7 V / mJ, conforme mostrado na Fig. 4b. Além de R _s , tempo de decaimento τ _d , sempre obtido pelo ajuste da porção de atenuação do sinal de tensão induzida, é outro parâmetro importante para avaliar as características do efeito LITT para fonte de laser pulsado. É claro que τ _d na Fig. 4b diminui monotonamente de 1,5 μs para BiCuSeO nu para 0,8 μs para AuNPs / BiCuSeO de 7 nm de espessura. A redução em τ _d é diferente do relatório em e pode ser causado pela estrutura ultrafina, bem como pelo efeito de conectividade elétrica da camada AuNPs.

a Respostas de voltagem de amostras BiCuSeO nuas e AuNPs / BiCuSeO em uma iluminação a laser pulsado de 308 nm. b Sensibilidade à tensão R _s e tempo de decaimento τ _d dessas tensões

Deve-se notar aqui que em ambos os casos de irradiação de luz contínua e pulsada, o valor de R _s mostra uma tendência de queda quando a espessura da camada de AuNPs aumenta para 7 nm, embora ainda seja maior do que o valor original obtido do filme nu. Este comportamento pode ser devido ao efeito paralelo da camada AuNPs. É sabido que conectar um resistor paralelo com pequena resistência no circuito de medição levará a um V reduzido _p e um tempo de resposta mais rápido [8, 10, 30]. Neste trabalho, a camada ultrafina de AuNPs pode ser considerada um resistor conectado em paralelo com o filme BiCuSeO. Conforme a espessura da camada de AuNPs aumenta de 4 para 7 nm, sua resistência diminui de 54 para 7,6 KΩ. Conforme mostrado na Fig. 5, conectar um resistor de 7,6 KΩ em paralelo com o filme BiCuSeO realmente resulta na redução da amplitude e do tempo de decaimento τ _d do sinal de tensão de saída. Para verificar a racionalidade da explicação, também realizamos a medição LITT em uma amostra com camada de AuNPs de 20 nm de espessura sob a iluminação do laser pulsado de 308 nm:aqui, a camada de AuNPs é contínua e apresenta menor resistência em comparação com o filme de 4 ou 7 nm de espessura. Conforme a espessura da camada AuNPs aumenta, os valores de V _p bem como τ _d continue a descartar (como visto no arquivo adicional 1:Figura S2).

Respostas de tensão de BiCuSeO nu sobre uma iluminação a laser pulsado de 308 nm antes e depois de conectar um resistor de 7,6 KΩ em paralelo

Conclusões

Em conclusão, uma camada ultrafina de absorção de luz AuNPs com a espessura de alguns nanômetros foi introduzida para melhorar a sensibilidade à tensão do efeito LITT no c - filme BiCuSeO inclinado no eixo. Em ambos os casos de irradiação de luz contínua e pulsada, a magnitude do sinal de tensão de saída ( V _p ) do efeito LITT aumentou mais de duas vezes após pulverizar uma camada de AuNPs de 4 nm de espessura no filme BiCuSeO inclinado. Isso pode ser atribuído à eficiência de conversão fototérmica aprimorada da estrutura AuNPs / BiCuSeO. No entanto, quando a espessura da camada AuNPs tornou-se mais espessa, o aumento do efeito de conectividade elétrica da camada AuNPs suprimiu melhorias adicionais de R _s . Esses resultados podem fornecer alguma orientação útil para projetar detectores ópticos do tipo térmico de alto desempenho com base no efeito LITT.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

τ _d :: Tempo de decaimento da tensão induzida
AuNPs:: Nanopartículas de ouro
HRTEM:: Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução
LITT:: Termoelétrica transversal induzida por luz
R _s :: Sensibilidade de voltagem
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
V _p :: Magnitude da tensão induzida

Um regulador de tensão transiente aprimorado com estabilidade e reforço de rejeição da fonte de alimentação Eletrólitos de polímero sólido sob medida por Montmorillonita com alta condutividade iônica para baterias de íon-lítio

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