초박막 금 나노입자 층을 이용한 기울어진 BiCuSeO 박막의 빛유도 횡방향 열전 효과 대폭 향상

초록

기울어진 BiCuSeO 박막에 수 나노미터 두께의 초박막 금 나노입자(AuNPs) 층을 도입하여 빛유도 횡방향 열전(LITT) 효과를 크게 향상시켰습니다. 펄스 및 연속광 조사 모두에서 4 nm 두께 AuNPs 층 코팅 시 LITT 전압 감도가 약 2배 증가했습니다. 이는 AuNPs 층의 입사광 효율적 활용으로 LITT 효과의 광열 변환 효율이 증가했기 때문입니다. 더 두꺼운 AuNPs 층은 전기적 연결 효과로 전압 감도 향상을 억제합니다. 이 연구는 LITT 효과 기반 열형 광검출기 성능 최적화를 위한 효과적인 전략을 제공합니다.

서론

빛유도 횡방향 열전(LITT) 효과는 물질 내 전기 흐름과 열 흐름이 서로 수직인 특수한 열전 현상입니다. 이 효과는 제벡 계수의 이방성에서 기인하며 기울어진 구조에서만 검출 가능합니다[1, 2]. 그림 1a와 같이, c축이 기울어진 박막 표면을 빛이 조사하면 입사광 흡수로 박막 표면과 바닥 사이에 z축 방향 온도차 ΔT_z가 발생하며, 이는 x축 방향 열전압 신호 V_x를 유도합니다. 유도 전압 V_x는 다음과 같이 표현됩니다.

V_x = (l/2d) sin(2α) · ΔS · ΔT_z (1)

여기서 l, d, α는 각각 박막 상의 빛 스팟 직경, 박막 두께, 박막 표면 법선에 대한 c축 기울기 각도입니다. ΔS = S_ab - S_c는 박막의 ab면 방향과 c축 방향 제벡 계수 차이입니다[2].

지난 몇 년간 LITT 효과는 자체 구동 비냉각 광검출기 잠재적 응용으로 큰 주목을 받았습니다[3-14]. YBa₂Cu₃O_7-δ, La_1-xCa_xMnO₃, Ca_xCoO₂, Bi₂Sr₂Co₂O_y, La_0.9Sr_0.1NiO₃, SrTi_1−xNb_xO₃ 등 기울어진 박막에 대한 광범위한 연구가 수행되었습니다. 그러나 이러한 박막에서 얻은 전압 감도 R_s(출력 전압 진폭 V_p와 박막 조사 입사광 에너지 E의 비율)는 광검출기 실용 응용에 충분하지 않습니다. 최근 Takahashi 등[15-17]과 Wang 등[18]은 수 마이크로미터(μm) 두께의 금 블랙이나 탄소 나노튜브 층을 박막 표면에 코팅하여 R_s 향상을 시도했습니다. 금 블랙이나 탄소 나노튜브 층은 광흡수층 역할을 하여 LITT 효과의 광열 변환 효율을 높이고 ΔT_z 값을 증가시킬 것으로 기대되었습니다. 이 전략은 연속광 조사에 매우 효과적이었으나, 펄스광 조사에서는 마이크로미터 두께 광흡수층 도입으로 R_s가 원래 값의 약 0.5%로 크게 악화되었습니다. 마이크로미터 두께 광흡수층이 입사광 활용도를 높이지만, 전체 시스템의 열이완 시간이 과도하게 연장되어 펄스광 조사의 입력 열에너지를 크게 억제하여 결국 ΔT_z를 감소시키기 때문입니다[15].

초박막 금 나노입자(AuNPs) 층은 독특한 화학적·물리적 특성으로 재료과학에서 중요한 역할을 하며, 포토닉스, 태양광 수확, 생물 센싱, 표면증강 라만 산란, 분자 분광학 등 다양한 분야에 널리 활용됩니다[19-21]. 본 논문에서는 4-7 nm 두께의 초박막 AuNPs 층을 광흡수층으로 활용해 기울어진 BiCuSeO 박막의 LITT 효과 전압 감도 R_s 향상을 탐구했습니다. 이 화합물은 이방성 층상 구조를 가진 새로운 유망 열전 물질[22-25]로 LITT 효과 연구에 좋은 후보입니다[26, 27]. 초박막 AuNPs 층의 열이완 과정이 매우 빨라 무시할 수 있으므로, 현재 AuNPs/BiCuSeO 시스템의 열이완 과정은 여전히 BiCuSeO 박막이 지배합니다. 연속광과 펄스광 조사 모두에서 4 nm 두께 AuNPs 층을 스퍼터링하여 R_s를 약 2배 향상시켰습니다. AuNPs 층 두께가 약 7 nm로 증가하면 우수한 전기 전도도로 인해 AuNPs 층이 전체 구조(Au/BiCuSeO) 저항률에 기여하는 부분을 무시할 수 없게 되어 R_s 향상이 억제됩니다.

방법

BiCuSeO 박막 및 AuNPs 층 제조

본 연구에서 약 150 nm 두께의 c축 기울어진 BiCuSeO 박막은 고순도 아르곤 분위기에서 308 nm 펄스 레이저로 BiCuSeO 세라믹 타깃을 절단하여 제작했습니다. 박막 기울기 각도는 기판의 미스컷 각도로 조절했습니다. 여기서는 20° 미스컷 (001) LaAlO₃ 단결정 기판을 사용했습니다. 박막 제조 및 구조 특성 분석詳細は 이전 논문[25-27]을 참조하세요. 두께 4 nm와 7 nm의 AuNPs 층을 스퍼터링 기술로 기울어진 BiCuSeO 박막에 코팅했습니다. 스퍼터링 과정에서 챔버 내 Ar 가스 압력은 0.1 Pa, 기판 온도는 300 K, 스퍼터링 전류는 6 mA로 유지했습니다.

특성 분석

SEM과 HRTEM으로 AuNPs 층의 표면 및 단면 이미지를 관찰했습니다. BiCuSeO 박막 및 초박막 AuNPs 층의 광흡수 및 광열 변환 특성을 추정하기 위해 맨 BiCuSeO, AuNPs 층, AuNPs/BiCuSeO의 광흡수 스펙트럼을 히타치 U-4100 분광광도계로 각각 측정했습니다.

열전 성능

캐리어 밀도 약 6.6×10¹⁹ cm⁻³인 BiCuSeO 박막의 전기 저항률 ρ와 제벡 계수 S를 측정했습니다(부록 1: Figure S1). 실온에서 BiCuSeO 박막의 ab면 전기 저항률과 제벡 계수는 각각 약 11.5 mΩ·cm, 204 μV/K로 약 0.36 mW/m·K²의 파워 팩터를 보였습니다. 박막 시료의 면외 열전도도는 Linseis 박막 레이저 플래시 분석기(TF-LFA)로 측정했으며, 실온에서 약 0.24 W/m·K였습니다.

LITT 효과 측정

LITT 효과 측정을 위해 그림 1a와 같이 x축 방향으로 약 8 mm 간격의 두 인듐 전극을 박막 표면에 증착했습니다. 308 nm 펄스 레이저(에너지 밀도 0.2 mJ/mm²)와 제논 램프(전력 밀도 350 mW/cm²)를 광원으로 사용했습니다. 덤버 효과를 피하기 위해 빛 스팟(3 mm × 5 mm)을 두 전극 중앙에 위치시켰습니다. LITT 전압 신호는 펄스광 조사 시 1 MΩ 종단 디지털 오실로스코프(Agilent DSO9254A)로, 연속광 조사 시 2700 Keithley 소스미터로 기록했습니다.

결과 및 논의

그림 1b는 20° 미스컷 LaAlO₃ (001) 기판 위에 성장한 BiCuSeO 박막의 HRTEM 이미지입니다. 박막이 c축 방향으로 성장하며 c축이 박막 표면 법선에서 약 20° 기울어져 있음을 명확히 확인할 수 있습니다. 그림 1c, d는 각각 4 nm와 7 nm 두께 AuNPs 층의 SEM 표면 이미지입니다. AuNPs가 서로 접촉하지만 완전히 융합되지 않은 연속적인 금 층을 형성합니다. 4 nm AuNPs 층의 평균 입자 크기는 10 nm 미만이며, 7 nm로 두께 증가 시 입자 크기가 커집니다. 두 AuNPs 층의 XRD 측정에서 Au의 명백한 회절 피크가 관찰되지 않아 AuNPs 층의 비정질 특성을 나타냅니다. 그림 1e는 AuNPs(7 nm)/BiCuSeO 계면의 단면 HRTEM 이미지로, AuNPs와 BiCuSeO 박막 표면 간 양호한 접촉을 보여줍니다. 매우 얇은 AuNPs 층 두께와 양호한 계면이 LITT 효과에서 입력 열에너지의 열이완 시간 억제에 도움이 될 것으로 여겨지며, 이는 펄스광 조사에 매우 중요합니다. 그림 1f는 기울어진 BiCuSeO 박막 상 두 전극 간 전류-전압(I-V) 곡선으로, 선형 전도 거동이 전극과 박막 간 완벽한 옴 접촉을 확인합니다. 그림 1f 삽입도는 AuNPs/BiCuSeO 저항 변화를 보여줍니다. 저항이 맨 BiCuSeO의 3.2 kΩ에서 4 nm AuNPs/BiCuSeO 3.02 kΩ, 7 nm AuNPs/BiCuSeO 2.25 kΩ로 감소합니다. 저항 감소는 AuNPs 층 기인으로 보이며, AuNPs 층 두께 증가 시 전기 전도성이 높아져 전체 구조 저항이 감소합니다.

그림 2a는 AuNPs 층 코팅 전후 BiCuSeO 박막의 광흡수 스펙트럼입니다. 수 나노미터 두께 AuNPs 층 도입으로 초박막 AuNPs 층의 높은 투과율로 인해 광흡수가 약간만 증가했습니다. 더 많은 정보를 위해 4 nm와 7 nm AuNPs 층의 광흡수 스펙트럼을 그림 2a 삽입도에 나타냈습니다. 약 280 nm(~4.4 eV) 피크는 금의 L 갭에 해당하는 밴드간 전이에서 기인합니다[28]. 초박막 층의 AuNPs가 분리되지 않고 서로 접촉하므로, 550 nm 부근 AuNPs의 플라즈몬 공명 피크나 금 양 증가에 따른 두 층 피크 간 스펙트럴 시프트는 관찰되지 않았습니다.

이러한 초박막 AuNPs 층이 BiCuSeO 박막의 광열 변환 효율에 미치는 영향을 추정하기 위해 제논 램프 조사 하에서 맨 BiCuSeO와 AuNPs/BiCuSeO 시료의 가열 곡선을 측정했습니다(그림 2b). 초박막 AuNPs 층이 광흡수 약간 증가에도 불구하고 BiCuSeO 박막의 광열 변환 효율을 개선하는 데 매우 효과적임을 명확히 알 수 있습니다. 시료 표면 정상 상태 온도가 맨 BiCuSeO 52°C에서 4 nm AuNPs 층/BiCuSeO 55°C, 7 nm AuNPs 층/BiCuSeO 58°C로 상승했습니다. 이는 AuNPs 열용량 C_p(27 J·mol⁻¹·K⁻¹)가 BiCuSeO(99.5 J·mol⁻¹·K⁻¹)보다 훨씬 작아 유사한 광에너지 흡수 시 더 높은 온도 상승을 유도하기 때문일 것입니다[29, 30]. 또한 비정질 AuNPs 층 도입이 매끄러운 BiCuSeO 박막 표면에서의 반사 손실을 줄여줄 수 있습니다. 이러한 효과들이 종합되어 BiCuSeO 박막 내 수직 온도 구배를 증가시킵니다.

그림 3은 제논 램프 조사 시 초박막 AuNPs 층 코팅 유무에 따른 기울어진 BiCuSeO 박막의 전압 응답입니다. 빛을 켜면 모든 시료에서 개방회로 전압 신호가 검출됩니다. 또한 초박막 AuNPs 층 도입 후 빛유도 전압 신호 크기 V_p가 유의미하게 증가합니다. 예를 들어 4 nm AuNPs 층 코팅 BiCuSeO 박막에서 V_p 값은 0.27 mV로, 맨 박막(0.13 mV)보다 약 2배 큽니다. 이 결과는 수 나노미터 두께 초박막 AuNPs 층이 연속광 조사 하에서 LITT 효과 전압 감도 R_s를 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.

초박막 AuNPs 층이 펄스광 조사에서도 효과적인지 확인하기 위해 308 nm 펄스 레이저를 광원으로 LITT 측정을 수행했습니다. 그림 4a는 펄스광 조사 시 박막 시료들의 전압 응답입니다. 기울어진 BiCuSeO 박막의 펄스광 유도 전압 신호도 초박막 AuNPs 층 코팅 후 크게 향상되었습니다. V_p 값이 맨 BiCuSeO 3.8 V에서 4 nm AuNPs 층 코팅 박막 8.1 V로 증가하여, 그림 4b에서 보듯 R_s가 1.3에서 2.7 V/mJ로 향상되었습니다. R_s 외에도 유도 전압 신호 감쇠 부분을 피팅하여 얻는 감쇠 시간 τ_d는 펄스 레이저 소스에 대한 LITT 효과 특성 평가의 또 다른 중요한 매개변수입니다. 그림 4b에서 τ_d가 맨 BiCuSeO 1.5 μs에서 7 nm AuNPs/BiCuSeO 0.8 μs로 단조롭게 감소함을 알 수 있습니다. τ_d 감소는 초박막 구조와 AuNPs 층 전기적 연결 효과 때문일 수 있으며, 선행 보고[15]와 다릅니다.

연속광과 펄스광 조사 모두에서 AuNPs 층 두께가 7 nm로 증가하면 R_s 값이 하락 추세를 보이지만, 여전히 맨 박막 원본 값보다 높습니다. 이 거동은 AuNPs 층 병렬 효과 때문일 수 있습니다. 작은 저항의 병렬 저항을 측정 회로에 연결하면 V_p 감소와 응답 시간 단축을 초래하는 것으로 알려져 있습니다[8, 10, 30]. 본 연구에서 초박막 AuNPs 층은 BiCuSeO 박막과 병렬 연결된 저항으로 간주할 수 있습니다. AuNPs 층 두께가 4 nm에서 7 nm로 증가함에 따라 저항이 54 kΩ에서 7.6 kΩ로 감소합니다. 그림 5에서 7.6 kΩ 저항을 BiCuSeO 박막과 병렬 연결하면 출력 전압 신호 진폭과 감쇠 시간 τ_d 모두 감소함을 확인했습니다. 설명 타당성 검증을 위해 308 nm 펄스 레이저 조사 하에서 20 nm 두께 AuNPs 층 시료에 대해서도 LITT 측정을 수행했습니다. 여기서는 AuNPs 층이 연속적이며 4 nm 또는 7 nm 박막보다 더 작은 저항을 보입니다. AuNPs 층 두께 증가에 따라 V_p와 τ_d 값이 계속 하락합니다(부록 1: Figure S2 참조).

결론

결론적으로, 수 나노미터 두께의 초박막 AuNPs 광흡수 층을 도입해 c축 기울어진 BiCuSeO 박막의 LITT 효과 전압 감도를 향상시켰습니다. 연속광과 펄스광 조사 모두에서 4 nm 두께 AuNPs 층 스퍼터링 후 LITT 효과 출력 전압 신호 크기(V_p)가 2배 이상 증가했습니다. 이는 AuNPs/BiCuSeO 구조의 향상된 광열 변환 효율 덕분입니다. 그러나 AuNPs 층이 두꺼워지면 AuNPs 층의 전기적 연결 효과 증가로 R_s 추가 향상이 억제됩니다. 이러한 결과는 LITT 효과 기반 고성능 열형 광검출기 설계에 유용한 지침을 제공할 수 있습니다.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능합니다.

약어

τ_d:

유도 전압 감쇠 시간 (Decay time of the induced voltage)

AuNPs:

금 나노입자 (Gold nanoparticles)

HRTEM:

고분해능 투과전자현미경 (High-resolution transmission electron microscopy)

LITT:

빛유도 횡방향 열전 (Light-induced transverse thermoelectric)

R_s:

전압 감도 (Voltage sensitivity)

SEM:

주사전자현미경 (Scanning electron microscope)

V_p:

유도 전압 크기 (Magnitude of the induced voltage)