熱釋電傳感器在軍事、醫(yī)療、安保等領(lǐng)域都有著重要作用。熱釋電電荷產(chǎn)生和電荷收集是產(chǎn)生熱釋電電信號(hào)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近日，濟(jì)南大學(xué)周偉家教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用聚焦脈沖激光對(duì)鈮酸鋰晶片進(jìn)行了表面處理，通過(guò)誘導(dǎo)鈮酸鋰表面等離子體而使晶格氧離子逸出，制備了氧空位結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)提升表面電荷傳輸能力而增強(qiáng)了熱釋電電荷收集，進(jìn)而增強(qiáng)了鈮酸鋰晶片的熱釋電電壓，為改進(jìn)熱釋電材料性能提供了新思路。
該工作題為“Laser-processed lithium niobate wafer for pyroelectric sensor”，在線發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊InfoMat。本文第一作者為碩士生辛笛，通訊作者為濟(jì)南大學(xué)的韓婧講師，孫德輝副教授、劉曉燕副教授和周偉家教授。
文章簡(jiǎn)介
本文通過(guò)激光處理鈮酸鋰晶圓，并探究了處理后鈮酸鋰晶圓的熱釋電性能。圖一展示了加工過(guò)程、等離子體光譜和不同條件下的晶片表面溫度。對(duì)于激光處理中白光的光譜分析說(shuō)明激光誘導(dǎo)了氧等離子體的產(chǎn)生。
圖1. (A) LPLN傳感器陣列的制造示意圖，以及LN、LPLN照片。(B) 激光誘導(dǎo)等離子輝光的照片和示意圖。(C) 在空氣和氬氣環(huán)境中激光誘導(dǎo)等離子體的發(fā)射光譜（700-300 nm）。(D) 激光誘導(dǎo)等離子體的原位發(fā)射光譜（700-300 nm）。(E) 聚焦激光過(guò)程中LN的實(shí)時(shí)溫度曲線（5 W）。插圖為激光聚焦過(guò)程的示意圖和獲得的LPLN晶片。(F) 帶吸收層的LN在聚焦激光過(guò)程中的實(shí)時(shí)溫度曲線（5 W）。插圖為激光聚焦過(guò)程的示意圖和裂開(kāi)的晶片。(G) 非聚焦激光過(guò)程中LN的實(shí)時(shí)溫度曲線（5 W，非聚焦距離為1.5 cm）。插圖為激光非聚焦過(guò)程的示意圖和處理后的晶片。
圖2. (A) ALPLN、LPLN、RLN和LN的光學(xué)照片。(B) ALPLN、LPLN、RLN和LN的紫外-可見(jiàn)-近紅外（UV-vis-NIR）吸收光譜。(C) ALPLN、LPLN和LN的鈮（Nb）3d的XPS光譜。(D)、(G) ALPLN、LPLN、RLN和LN的SEM俯視圖。插圖為截面圖和放大的SEM圖。
圖2對(duì)激光處理的鈮酸鋰進(jìn)行表征。激光處理后的鈮酸鋰與常規(guī)方式黑化的鈮酸鋰表現(xiàn)出相同的吸收特征，且其XPS光譜中存在一個(gè)位于205.08 eV對(duì)應(yīng)Nb4+的峰。這說(shuō)明激光誘導(dǎo)等離子體導(dǎo)致晶格中的氧逸出，在表面引入了氧空位。SEM圖說(shuō)明激光處理能夠有效實(shí)現(xiàn)鈮酸鋰表面的粗化。
圖3. (A)溫度循環(huán)過(guò)程中電荷的移動(dòng)和電壓的生成示意圖。(B) LPLN傳感器的熱釋電測(cè)試示意圖。(C) ALPLN、LPLN、RLN和LN晶片的熱釋電電壓性能（加熱10秒，ΔT = 10 K）。(D) ALPLN、LPLN、RLN和LN晶片的熱釋電電流性能（持續(xù)加熱，ΔT = 10 K）。(E) ALPLN、LPLN和LN表面上收集的電荷數(shù)量。(F) ALPLN、LPLN、RLN和LN晶片的電流-電壓（I-V）特性曲線（-8.0至8.0 V）。
在熱釋電電壓測(cè)試中，激光處理的鈮酸鋰晶片表現(xiàn)出最高的熱釋電電壓。研究人員認(rèn)為，熱釋電電壓的形成可以使用電容器模型解釋。經(jīng)測(cè)試，鈮酸鋰晶片產(chǎn)生的電流也最高，相應(yīng)時(shí)間內(nèi)收集的電荷也最多。這可以歸因于粗糙表面更高的電荷儲(chǔ)存和具有氧空位結(jié)構(gòu)的表面更高的電荷傳輸能力。
圖4. (A) LPLN傳感器在不同溫差（ΔT = 5, 10, 15, 20, 25 K，相對(duì)于室溫298.15 K）的電壓輸出表現(xiàn)。(B) 實(shí)時(shí)電壓穩(wěn)定性測(cè)試。(C) LPLN傳感器在不同距離（D = 5, 10, 15, 20, 25 cm）與加熱臺(tái)溫度（473.15 K, 523.15 K, 573.15 K）下的電壓峰值。(D) 實(shí)時(shí)電壓穩(wěn)定性測(cè)試。
研究者測(cè)試了接觸加熱和非接觸加熱的情況下，不同的加熱條件使晶片產(chǎn)生的電壓。隨著溫差升高，器件產(chǎn)生的電壓也逐漸升高。并且在相同的測(cè)試條件下，晶片輸出的電壓較為穩(wěn)定。這為激光處理的鈮酸鋰晶片應(yīng)用于傳感器件提供了先決條件。
圖5. (A) 基于LPLN的傳感器用于觸覺(jué)監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)控的示意圖。(B) 單點(diǎn)觸摸模式下每個(gè)單元的實(shí)時(shí)輸出信號(hào)。(C) 滑動(dòng)模式下每個(gè)單元的實(shí)時(shí)輸出信號(hào)。(D) 多點(diǎn)觸摸模式下每個(gè)單元的實(shí)時(shí)輸出信號(hào)。(E) LED在單點(diǎn)觸摸模式下的響應(yīng)。(F) LED在滑動(dòng)模式下的響應(yīng)。(G) LED在多點(diǎn)觸摸模式下的響應(yīng)。插圖為不同模式的示意圖。(H)溫度控制蜂鳴器和RGB LED。
本文制備的觸覺(jué)交互系統(tǒng)在單點(diǎn)觸摸模式下，對(duì)應(yīng)的LED依次點(diǎn)亮并熄滅；在滑動(dòng)模式下，LED會(huì)依次點(diǎn)亮，最終統(tǒng)一熄滅；在多點(diǎn)觸摸模式下，LED同時(shí)亮起或熄滅。此外，本文制備的溫度監(jiān)控系統(tǒng)在接觸到室溫物體時(shí)無(wú)響應(yīng)；當(dāng)接觸溫度略高的熱源時(shí)，LED發(fā)出黃光；當(dāng)接觸溫度更高的熱源時(shí)，LED發(fā)出紅光，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。這兩種功能演示為拓寬熱釋電傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景提供了可能性。
本研究利用脈沖激光表面處理技術(shù)對(duì)LN晶圓進(jìn)行改性，有效提高了它們的熱釋電電壓性能。整個(gè)處理過(guò)程在大氣環(huán)境中進(jìn)行，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)流程。熱釋電電壓性能的提高被認(rèn)為與激光誘導(dǎo)的氧空位含量增加和粗糙表面電荷存儲(chǔ)增加有關(guān)?；趥鞲衅鞯娜藱C(jī)界面制造實(shí)現(xiàn)了觸覺(jué)感應(yīng)和溫度監(jiān)測(cè)。本工作不僅提供了一種有效的方法來(lái)提高熱釋電材料的性能，而且有望拓寬熱釋電傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景。
文章來(lái)源：濟(jì)大產(chǎn)研院知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)平臺(tái)
