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关键词： Bi2Se3   异质结   光热电效应   侧向光伏效应   热释电效应   光电探测器  

摘要： 随着科技快速发展,非接触式光电/光热电传感器件在激光制导、人工智能等领域具有很大的应用潜力,因此受到越来越多关注。然而,目前传感器的位置灵敏度有限,且存在光谱响应范围较窄的问题。因此,亟需引入新的材料来研发具有高灵敏度、快速响应和宽光谱检测能力的光电/光热电传感器件。近来,Bi2Se3作为一种类石墨烯的层状材料引起了极大关注。Bi2Se3具有与传统半导体材料类似的体带隙外,还具有受益于时间反演对称性保护的狄拉克金属表面态。狄拉克金属表面态有抑制反向散射和增强载流子横向传输能力的作用,为构筑高性能光电器件提供了重要基础。Bi2Se3同样是一种优异的热电材料,热导率较低的特性使其表面在非均匀光照射下能够形成温度梯度,进而可用于开发高性能、超快响应以及宽光谱检测的自驱动光电/光热电探测器。因此,本文制备了Bi2Se3/planar-Si、P（VDF-Tr FE）/Bi2Se3/planar-Si、Bi2Se3/half pyramid-Si三种异质结器件,系统研究了其中的侧向光伏效应、光热电效应及调控方法。具体研究结果如下: （1）研究了10 nm厚的Bi2Se3/Si异质结在零偏压和非均匀光照射下的侧向光伏效应,结果发现该器件具有从360 nm到1064 nm的宽波段光响应,最大灵敏度为151.6m V/mm,并且器件的非线性度小于4%。构建了P（VDF-Tr FE）/Bi2Se3/planar-Si异质结器件,P（VDF-Tr FE）的引入通过降低Bi2Se3薄膜表面电导率的方法实现侧向光伏效应的调控,器件的最大位置灵敏度达到333.33 m V/mm,提升了119.9%。此外,在P（VDF-Tr FE）铁电和热释电效应耦合作用下通过提升界面光生载流子的分离和纵向传输能力来进一步调控器件的侧向光伏效应,器件的最大位置灵敏度提升到710 m V/mm,提升了368.3%,器件的最快响应时间降至35/50μs。 （2）使用脉冲激光沉积法在n型单晶Si衬底上制备一系列不同厚度的Bi2Se3薄膜（10 nm、15 nm、35 nm、50 nm、70 nm）。首先研究了在2200 nm激光照射下Bi2Se3/planar-Si异质结器件的光热电效应,研究发现光热电性能强烈依赖于Bi2Se3薄膜的厚度和两侧电极间距并且其输出电压随激光功率变化呈现线性递增的趋势。在15 nm薄膜厚度、9 mm电极间距下,器件的输出电压最大达到0.568 m V。为进一步提升两电极间温度梯度,在Si衬底表面一端引入纳米金字塔结构,获得了Bi2Se3/half pyramid-Si异质结器件。由于纳米金字塔结构端较强的光吸收和光热转换性能,因此获得了更大的表面温度梯度,最大输出电压从0.568 m V增加至2.028 m V,提升了275%,且器件在长时间高功率激光照射下能保持良好的稳定性。

关键词： 微力检测   宏微复合运动   光栅刻划   柔性机构  

摘要： 衍射光栅作为一种能够分离和测量不同波长光波的关键光学元件,在光学和光谱学领域发挥着至关重要的作用。特别是在高精度的光学测量和光谱分析中,光栅因其能够有效减小光学系统的闪耀损失和提高系统的光谱效率而受到高度重视。随着科技的发展和对精确光谱信息需求的增加,传统的光栅刻划技术已无法满足光栅在精度和效率上的需求。光栅刻划机的研发成为了光栅生产技术发展的关键,它要求刻划过程中能够实现极高的精度控制,以保证光栅的周期一致性和表面质量,从而最大限度地减少光学系统中的光散射和光损耗。为了解决这一技术难题,本文围绕光栅的特殊需求,提出了一种集成了基于柔性铰链的柔性刻划力测量系统和基于宏微复合运动的光栅刻划系统的设计方案。通过精确监测和控制刻划过程中的刻划力,以减小制造过程中的机械误差,进而提高光栅的刻划精度。同时,宏微复合运动系统的应用,使得光栅刻划机在实现大范围快速定位的同时,还能进行微范围的高精度调整及使得刻划力保持恒定,以满足光栅对刻划精度的高要求。本文主要工作内容如下所述: 首先,探讨了刻划力感知系统及宏微复合运动系统在提高衍射光栅加工质量方面的重要性,并针对现行光栅刻划机制中存在的局限性,提出了一种具有力传感功能的光栅刻划伺服系统设计。 其次,本文深入分析了刻划力感知系统的工作原理,即通过监测柔性机构的微小变形来实现对刻划力的精确检测。通过所设计的柔性检测机构,使用电容传感器来检测柔性机构的微小变形。设计的柔性检测机构借助电容传感器,精确捕捉柔性机构的细微变动。进一步,通过对包含正圆型、直角型及V型导向机构的复合柔性铰链设计方法进行研究,并利用有限元分析探讨了不同导向机构的谐振响应。此外,依据恒定刻划力的要求,对刻划力感知结构系统进行了结构优化设计,通过有限元理论的方式分析柔性铰链变形,推导出刚度模型和在刻划方向上的最大承载能力。通过有限元仿真、静刚度实验测试与分辨力测试等方法,验证了力传感机构的合理性。通过实验测得测力机构最小分辨力为0.2m N。 然后,基于宏微复合运动的原理,为光栅刻划应用构建了宏动与微动平台的运动关系,设计了宏微运动平台,宏动平台采用步进电机与滚珠丝杠,而微动平台则由压电陶瓷与桥式放大机构组成。针对桥式放大机构在宏微运动平台中的应用,推导了其放大比和刚度的理论模型,并通过有限元仿真与实验验证了模型的准确性。通过构建的宏微运动平台,对其进行了分辨率、定位精度以及双向重复定位精度的测试,并分析了产生轴向窜动误差的原因。通过对宏微复合运动系统协调运动测试,进一步验证了实际应用可行性。通过实验测得微动平台闭环定位精度为4.81nm,双向重复定位精度为16.48nm。 最后,本文对光栅刻划机的运动系统进行了详细分析,并设计了一个用于承载光栅基底的xy运动平台。通过对该平台进行直线度、垂直度及双向重复定位精度的测试,深入了解了其工作性能。结合刻划力感知系统、宏微复合运动系统以及xy运动平台,搭建了一套具有力传感特性的光栅刻划伺服系统,并通过对光栅基底的刻划测试,展示了系统的有效性。