近日，中國科學院合肥物質院固體所團隊在激光能量探測異質結器件構筑方面取得新進展。相關研究成果發表在 Applied Physics Letters 上。

各向異性熱電材料是一種在晶體學面內和面外方向具有不同熱電勢的材料。利用脈沖激光的瞬態熱效應可在這些材料中產生激光誘導電壓效應(laser induced voltage effect)，因而可設計出激光能量探測器件，實現脈沖激光能量密度的精確測量。

研究人員發現層狀 Bi2Sr2CuOy( Bi-2201)薄膜可通過扭轉 45度角的方式沿鈣鈦礦型單晶基板外延生長。層狀 Bi-2201薄膜不僅表現出較高的超導轉變溫度( ~15K)，且其面內和面外熱電勢具有高度各向異性。在斜切 0、 5和 10度的鋁酸鑭單晶基板上可誘導生長傾角為 0、 5和 10度的 Bi-2201薄膜。基于上述生長的薄膜可構筑出脈沖激光能量探測原型器件(圖 1)。當脈沖激光輻照薄膜時，將在薄膜面間形成溫度梯度 Δ T，進而在面內形成電勢差產生脈沖電壓信號。

研究結果表明，傾角為 5 度的 Bi-2201 薄膜響應紫外脈沖激光( 248 nm )產生的峰值電壓達到 25 伏特，對應的響應時間為 60 納秒(圖 2 )。分析系列實驗結果得出該激光能量探測原型器件的經驗公式( E=0.67Vp-10.98 )，可直接通過讀取電壓的方式獲得待測脈沖激光的能量密度。此外，研究人員通過數次脈沖激光輻照測試表明該原型器件表現出良好的穩定性。基于 Bi-2201 薄膜異質結的成功構筑將為脈沖激光能量探測器件的設計提供實驗依據。

該工作中，薄膜外延生長技術是構建激光能量探測器件的關鍵。區別于磁控濺射和脈沖激光等沉積技術，溶液法沉積技術是一種無需真空環境即可獲得高質量薄膜的有效方法。課題組近年來采用該方法獲得了多種高質量薄膜并構筑了相關原型器件，包括空穴型透明導電薄膜(Appl. Phys. Lett. 121, 171902 (2022)，Appl. Phys. Lett. 112, 251109 (2018))、電子型透明導電薄膜(Appl. Phys. Lett. 115, 162105 (2019)，Appl. Phys. Lett. 106, 101906 (2015))、磁性薄膜(Appl. Phys. Lett. 109, 152406 (2016))、介電電容器儲能薄膜(Appl. Phys. Lett. 121, 263903 (2022)，Appl. Phys. Lett. 115, 243901 (2019)，Appl. Phys. Lett. 113, 183902 (2018)，Appl. Phys. Lett. 112, 033904 (2018)，Appl. Phys. Lett. 111, 183903 (2017))等。

圖1. 激光能量探測原型器件及薄膜異質結外延方式示意圖。

上述工作得到了國家自然科學基金、安徽省重點研發計劃項目和合肥物質院院長改革專項基金的資助。