（材料学专业论文）litv激光功率能量计的初步研究.pdf

摘要 在倾斜l a a l 0 3 或s r t i 0 3 单晶衬底上镀制超巨磁电阻( c o l o s s a l m a g n e t o r e s i s t a n c e ，简记为c m r ) 薄膜，薄膜具有激光感生热电电压( l a s e ri n d u c e d t h e r m o e l e c t r i cv o l t a g e 。简记为l i t v ) 效应，并且l i t v 峰值与照射的激光功率或 能量成较好的线性关系。据此，我们以c m r 薄膜为探头元件，利用a t 8 9 c 5 1 单 片机系统制作成外围电路，把l i t v 信号进行展宽，通过检测感生电压的峰值， 来测量激光功率能量的方法，设计并初步制作完成了激光功率馆量计器件。该 仪器与传统的激光功率厶量计相比，具有测量光谱范围宽、响应时闻快和制作 成本低的特点。经过在2 4 8 n m 和3 0 8 n m 的准分子激光器上进行测试，获得了x l o 档和x 1 0 0 档时激光功率能量计的精度分别为8 和9 1 的结果。能景计显 示值有一些波动，原因在于该仪器采样速率偏低( 只有几千赫兹) ，不能总是准 确地采集到峰值。 另外，我们还对探头的稳定性进行了研究。经过实验表明，当用1 5 0 m j 左 右能量的紫外激光照射时，探头是稳定的，当用2 0 0 m j 左右能量的紫外激光照 射时，探头将会受到损坏，为了要稳定可靠地测量2 0 0 m j 以上的激光能量，我 们必须在探头前面加一个衰减器。我们用不锈钢筛网制作了衰减器，选择不同目 数的筛网或筛网几层叠加，制成了不同倍率的衰减器。这是我们的一个创新，它 不受激光波长的限制，对大光束的激光都适用。为了保护探头，我们选择m g f 2 作为保护膜材料，在l c m o 薄膜上蒸镀了一层保护膜。实验表明，该薄膜在2 0 0 m j 能量的激光照射下，性能仍然稳定，m g f 2 保护层增强了功能薄膜的稳定性。通 过对该膜的线性关系测量，表明其i j t v 峰值与激光能量仍然成较好的线性关系。 最后，对l c s m o 薄膜的性质进行了研究。通过对其l i t v 信号测量，发现 其上升前沿和脉冲宽度都比l c m o 薄膜小，可以用来制作更快响应的光探测器 件；通过对其电阻一温度关系测量，它的金属一绝缘体转变温度为3 1 3 k ，在窒 温附近，曲线较陡，最大电阻温度系数为1 , 6 ，并且其电阻温度系数还有进一 步提高的余地，因此，l c s m o 薄膜还可用来制作b o l o m e t e r 器件。 关键词：c m r 材料、u t v 、探头、激光功率，能量计 a b s t r a c t b a s e do nt h ef a c t t h a tc m rt h i nf i l m sg r o w no ns r t i 0 3o rl a a l 0 3 v i c i n a l - c u ts u b s t r a t e sd i s p l a yt h el a s e r - i n d u c e dt h e r m o e l e c t r i cv o l t a g e ( l i t e f f e c t , a n dt h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e np e a ko fl i t va n dl a s e re n e r g y p o w e r , w eh a v ef a b r i c a t e dal a s e re n e r g y f l o w e r - m e t e r , w h i c hc o n s i s t so fl a s e r - r e s p o n s e u n i t ，t h a ti s ，t h ef i l m s ，a n dd a t a - p r o c e s s i n gu n i t t h ep o w e r - m e t e ri sd e s i g n e df o r d i r e c t l yd i s p l a y i n gt h ee n e r g yo fp u l s e dl a s e r i nc o m p a r i s o nw i t hc o m m e r c i a l l a s e re n e r g y f l o w e rm e t e r , t h ed e v i c eh a sa d v a n t a g e so fr e s p o n s et ob r o a d w a v e l e n g t h ，f a s t e rr e s p o n s e t i m ea n dl o wc o s t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so nt h e e x c i m e rl a s e ro f2 4 8 n ma n d3 0 8 n m ，t h ed i s p l a y e dv a l u es h o w st h a tal i n e a r d e p e n d e n c eo ft h em e a s u r e dl a s e re n e r g y h o w e v e r i tc a nn o ta c c u r a t e l yi n d i c a t e t h ee x a c tl a s e re n e r g y ，d u et oi t sb i gf l u c t u a t i o n t h er e a s o nl i e si nt h er e s p o n s e s p e e d o ft h i si n s t r u m e n tt os i g n a li st o ol o wt oa c c u r a t e l yc a t c ht h ep e a ko fl i t v e a c ht i m e i no r d e rt om a k eu pf o rt h i sd i s a d v a n t a g e ，w ep o s e ds o m ei d e a s ：o n ei s t oi m p r o v et h es i g n a l - p r o c e s s i n gu n i to fc i r c u i to rr e p l a c et h ec u r r e n tm e t h o d ， w h i c hi sd i r e c t i yt oc a t c ht h ep e a ko fl i t v , b yi n t e g r a t i n gf o rl i t vs i g n a l ；t h e o t h e r ( a l r e a d yr e a l i z e d ) i st or i s et h ed a t a - c o l l e c t i n gc a r do ft e n so fo rh u n d r e d so f m h za s s i s t e db yc o m p u t e r , w h i c hc a ne a s i l yf i n dp e a k - v a l u eo fl i t v , t h e r e f o r e ， a c c u r a t e l ym e a s u r el a s e re n e r g y f u r t h e r , t h es t a b i l i t yo fl a s e r - r e s p o n s eu n i ti ss t u d i e d i ts h o w s ，t h eu n i ti s s a f ew h e nd i r e c t l ye x p o s e di nal a s e rb e a mt i l lt h ee n e r g yo ft h el a s e rb e a mi s h i 曲e rt h a n1 5 0 m jo rs o ，t h e r e f o r e ，w em u s ta d da na t t e n u a t o ri nf r o n to fi ti n o r d e rt om e a s u r eh i g h e re n e r g y , w h i c hi sm a d eb ym e t a l w i r em e s h w o r k t h e a t t e n u a t o r so fd i f f e r e n ta t t e n u a t i o nr a t i oc a nb e ：a na t t e n u a t o rw i t h m u l t i - l a y e r e dm e t a l - w i r em e s h w o r ko rw i t hm e t a l - w i r em e s h w o r ko fd i f f e r e n t m e s hd i m e n s i o n ，o rac o m h i n a t i o no fs e v e r a la t t e n u a t o r s t h i sk i n do fa t t e n u a t o r i so u ri n n o v a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ea t t e n u a t o ri sn o tr e s t r i c t e d b yl a s e r w a v e l e n g t h ，t h e r e f o r e ，i ss u i t a b l ef o rm a n yk i n do fl a s e r s f o rt h es a k eo f p r o t e c t i n gt h ef i l m ( e g ，l c m ot h i nf d m ，e t c ) i n s i d et h el a s e r - r e s p o n s eu n i t , l c m ot h i nf i l mi sc o v e r e db ym g f 2t h i nf i l mu s i n gv a c u u me v a p o r a t i o nm e t h o d w h e ns h o tb yl a s e rb e a mo f2 0 0 m jp e rp u l s e ，t h ef i l mi ss t i l lk e p tu n d a m a g e d i t c l e a r l yd e m o n s t r a t e st h a tm g f 2e n h a n c e st h ee n d u r a n c eo fl a s e rs h o o t i n go ff i l m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef i l mc o v e r e dw i t hm g f 2h a sab e t t e r l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i t vp e a k - v a l u ea n dl a s e re n e r g y w ea l s os t u d i e dt h ep r o p e r t i e so fl c s m ot h i nf i l m t h r o u g hm e a s u r i n gt h e l i t vs i g n a l ，w ed i s c o v e r e db o t ht h er i s i n g - t i m ea n dt h es i g n a lw i d t ha r es m a l l e r t h a nt h o s eo fl c m ot h i nf i l m s ol c s m 0f i l mc a nb eu s e dt of a b r i c a t em o r e f a s t e r - r e s p o n s el i g h td e t e c t o r i na d d i t i o n ，i t sr e s i s t a n c e d e p e n d e n c e o f t e m p e r a t u r e ( r - t ) i sa l s om e a s u r e d t h em e t a l - i n s u l a t o r ( m - i ) t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r ei s3 1 3 k ，t h er - tc u r v ei sv e r ys h a r pn e a r b yt h em - it r a n s i t i o n r e g i m e t h eb i g g e s tt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fr e s i s t a n c e f r c r li s1 6 t h e t c ro fl s c m o 脚ms t i l lc a nb ei n c r e a s e d t h e r e f o r e l c s m ot h i nf i l mi s e x p e c t e dt ob eu s e di nb o l o m e t e rd e v i c e k e y w o r d ：c m rm a t e r i a l , l i t v , l a s e r - r e s p o n s eu n i t ，l a s e re n e r g y p o w e r m e t e r 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彳多永害 日 期：弘巧年q - 月6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的金部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：耄雌文作者签名：础 日 期：丝 生望月曼旦 注：此页放在封面后，目录前。 硕士论文激光功率能量计的初步研究 1 1 激光产业潜力巨大 第一章绪论 根据美国光电子工业发展协会( o i d a ) 提出的报告，预计2 0 1 3 年全世界 光电子工业产值为4 6 3 0 亿美元，平均年增长率为9 5 。产值中包括激光通讯 和工业激光技术( 激光加工、激光医疗和激光检测) 1 l 。 世界激光器市场可以划分为三大区域：美国( 包括北美) 占5 5 ，欧洲占 2 2 ，日本及太平洋地区占2 3 。美国、日本、德国三个国家激光产业的发展 代表了当今世界激光产业发展的趋势。日本在光电子技术方面占首位，在激光 医疗及激光检测方面，美国占首位，而在激光材料加工设备方面则是德国占首 位。 我国激光产业的总销售额平均年增长率达到2 3 倍，远远超过国外的增长 速度。其中光存储销售额最大，其次是检测，第三位是激光医疗设备，第四位 是激光加工设备。我国激光产业具有很好的发展前景和很大的潜力，正在作为 新的经济增长点而引起高度重视。但除激光音像设备已形成较大的规模，在世 界上占有一定的地位外，其它激光设备的产业与国外相比尚存在较大的差距， 主要问题是：( 一) 科研与生产结合得不好，科研成果转化为生产力的能力较差， 许多具有市场前景的成果仍停留在实验样机阶段：( 二) 资金投入不足，市场开 拓不够，一些重要激光产品尚未形成规模生产，效益较低；( 三) 产品质量较差， 在安全性、稳定性、可靠性及标准化等方面还有待进一步提高：( 四) 激光系统 的配套能力较差，增加了用户使用的困难；( 五) 创新能力较差，高档次的激光 产品少，智能化、自动化程度较低，缺乏市场竞争能力；( 六) 从技术管理上看， 激光产品缺少国家标准，产品质量监督不够，这些都不利于激光产业的发展。 正是由于激光产业的发展前景很好，我国己制定了相关的发展战略：集中力量， 发挥优势，采取重点突破，组织和建立多种投资体制和产业集团，逐步形成规 模生产，加速激光产品商品化、产业化和国际化的进程。努力开拓市场，使我 国的激光产值在2 0 0 5 年达到3 0 0 亿元，2 0 l o 年达到4 0 0 亿元。 新材料引发更大商机，新材料的研究和进展，常常导致新的技术革命和 新兴产业的发展。从第一代半导体材料到以氮化镓为代表的第三代半导体材料 硕士论文激光功率s 量计的初步研究 的迅速发展，促进了上亿美元相关设备、系统的新产业的形成，而且对激光探 测技术起了极大的促进作用。但是，随着以光通信为基础的信息高速公路的崛 起和社会信息化的发展，新一代的激光探测技术应该具备更为优异的特性，特 别是要适应高温及恶劣环境、大功率、宽光谱等高新技术领域。 如今，科学家们发现一种新型光电子材料强关联氧化物材料，用该材 料做成的激光探测器件，具有超快响应、宽光谱响应、高灵敏度、非制冷探测、 高稳定性、易集成化、成本低廉、市场竞争力强的特点。其中，超快响应宽频 谱激光探测计、超快响应宽频谱激光功率计、超快响应宽频谱激光能量计等产 品响应速度快、测量精度高、响应频谱宽、工艺可靠、使用方便、仪器各项指 标均优于国内外同类产品，能满足现在所有中、小型激光脉冲能量和连续功率 测量的需要，符合国家和国际相关标准规定，是我国激光测试的更新换代产品。 这种新型探测器件应用十分广泛，不仅可以用来做激光能量计和激光功率 计的探头，还可以做激光开关元件。把这种探铡元件做成面阵，可以对激光束 进行剖面探测，亦可以用于成像。在工业、消防、治安、医疗、军事、考古、 交通、农业、电力、地质等许多领域均有重要应用，如工业监控探测、建筑物 漏热查寻、森林防火、火源寻找、疾病诊断、海上救护、天文探测、设备前期 故障诊断与维护、矿石断裂判别、导弹发动机检查、公安侦查等。 1 2 激光功率能量计国内外发展现状 目前，光电探测器的类型主要有半导体光电型、量热型和l i t v 探测器型 三者的性能比较如表一所示。 表1强关联氧化物薄膜探测器( l i t v ) 与传统探测器的性能比较 半导体光子型测热辐射仪 l i t v 器件 灵敏度 高高 中等 工作波长 窟 宽宽 响应时间快慢快 偏置电压( 不) 需要需要不需要 由表l 可看出：半导体材料制作的探测器件灵敏度高、响应时间快，但由 于受到材料本身带隙宽度的影响，其光谱响应范围较窄：测热辐射仪的工作波 2 硕士论文激光功率能量计的初步研究 长宽，但缺点是响应时间慢、需要偏置电压；结合半导体量压型探测器件和测 热辐射仪量热型器件的优点，l i t v 探测器件工作波长宽、响应时间快、灵敏度 高，是很有发展前景的光探测器件。 国内外生产激光功率，肯2 量计的产家很多，下面是几个有代表性的产家生产 的激光功率，胄b 量计。如亵2 、表3 和表4 所示： 表2 中国计量科学研究院制备的量热型激光功率计 型号 l i d ll m 一9 1 cl m 5l m 一9 3 i il l 一3 波长范围0 4 1 1 um0 4 1 1um0 4 1 1u i n 0 3 2 5u 1 1 10 3 2 5 um 功率测量范 l 2 0 0 m w 0 。l 2 0 0 m w0 1 2 0 0 m w 0 1 5 0 w 3 0 1 0 4 ) v 围 测量误差 l i d 5 ，城一9 3 i i 。l l 一3 测量误差2 性能 l i d 5 ，u l 一9 3 u ，l l 一3 都为绝对测量 表3 北京光电技术研究所制备的光子型激光功率能量测量仪 型号1 4 61 4 71 4 8m - 9 2 m 一9 3 b g s 6 3 1 l 2 2 0 0 w 量程2 0 0 w 一2 0 0 0 w 2 埘一2 0 w 2 - 2 0 0 w2 0 m w - 2 0 0 m w2 0 m w - 2 0 w 2 2 0 0 m w 最小分辨 1 0 6 4 n m ：l a w 0 1 wl n wl m w0 o l m w0 0 l m w 盥 6 3 3 n m ：1 州 光谱范围 4 0 0 - 1 1 0 0 h mn l u m4 0 0 11 0 0 n m 不确定度5 表4 加拿大g e n t e c e o 公司生产的光子型激光功率能量测量仪 弛号 e 1 ) 一2 0 0 + 皿2 0 0 l +e d 一2 0 0 l a + e 1 ) - 2 0 0 u ve 1 ) 一2 0 0 l u v e d - 2 0 0 l a u v 光谱范围 o 1 9 1 lu mn1 9 _ 1 1 u i l l0 4 - 2 5 l a mn 伊1 1 u m0 1 9 - 1 1um0 1 9 2 5um 最大脉冲 o 8 5i l l so 8 5m s0 8 5i l l so 8 5i f l s 0 8 - 5m s 0 8 - 5i n s 宽度 响应时间 1 5 m s1 5 m s1 5 m s1 5 m s1 5 m s1 5 m s 测量精度 5 4 - 5 士5 蹦5 5 表2 、3 是国内生产激光功率能量计比较有代表性的两家单位，从表中的 数据可以看出：两家单位生产的激光功率能量测量仪，其波长范围相对较窄， 硕士论文激光功率能量计的初步研究 两家单位生产的器件短波在0 3 岫紫外波段以下、长波在1l 肛m 红外及远红外波 段以上均处于工作盲区。表4 为国际上比较有代表性的加拿大g e n t e c e o 公司 生产的激光功率能量测量仪，由表中可看出：该公司产品的光谱响应范围够 宽( 从0 1 9 1 1um ) ，但是响应时间为1 5 m s ，不能有效测量u s 量级的短脉冲 激光功率和能量。 1 3l l t v 型激光功率a t 量计 l i t v 型激光功率能量计是以强关联氧化物( c m r ) 材料l a l 。c a 。m n 0 3 ( 简 记为l c m o ) 薄膜作为光敏元件，它是根据该材料薄膜在激光照射时产生的激 光感生热电电压( l a s e ri n d u c e dt h e r m o e l e c t r i cv o l t a g e ，简记为l i t v ) 峰值与激 光功率能量成线性关系的原理而制成的光探测器件。具有超快响应( 纳秒到皮 秒) 、宽光谱响应( 光谱范围从紫外到红外) 、高灵敏度、非制冷探测、高稳定 性、易集成化、成本低廉等特点。它由探头、屏蔽线、外围电路三个部分组成， 如图1 1 所示。是基于新原理的快响应、宽波段的激光功率能量计。 图1 1 激光功率能量计设计原理图 1 4 本论文的目的和意义 本论文的目的，是研制一种新型的快响应( i t s 、n s 级) 、宽光谱、高灵敏 度的l i t v 型激光功率能量测量仪。随着现代科学技术的发展，光学技术的应 用越来越广泛，不仅在可见光范围有长足的进步，而且扩展到从毫米波到红外 到紫外的很宽的光谱范围。在应用光谱范围拓宽的同时，也对光探测器的响应 速度提出了越来越高的要求。因此，宽波段、快响应、高灵敏的光学探测器代 表了现代光学探测器的主流方向。目前的光探测器存在若干缺陷，要么是探测 的光谱范围窄，如半导体光子型的光探测器，很难用于红外以及更长波长的光 的探测；要么是响应的速度慢，如传统量热型探测器或测辐射熟仪，通常为微 秒量级，而且通常体积大，难于集成。因此，光探测器急待一个突破性的发展。 上个世纪九十年代初，人们发现，倾斜衬底上生长的高温超导材料y b a 2 c u 3 0 7 。 4 硕士论文激光功率8 2 量计的初步研究 薄膜在室温下具有激光感生热电电压效应【”。我们在研究中进一步发现【3 1 ，倾斜 衬底上生长的超巨磁阻材料l c m o 薄膜在室温也有相同的效应，并进一步导出 了激光感生热电电压随时间变化的公式，在进行理论研究的同时，我们还展开 了对该效应进行实际应用的研究；基于此效应，我们设计开发了y 1 3 a 2 c u 3 0 7 s ( 简 记为y b c o ) 薄膜激光功率计和l c m o 薄膜激光功率能量计。初步的实验结果 表明，基于此效应设计制作的激光功率能量计具有宽光谱、快响应( i t s 、n s 量级) 、高灵敏度的特点，完全适合现代光探测器的发展时代潮流，具体表现在 以下方面： ( 1 ) 基于该效应的探测器工作光谱范围宽，从毫米波到红外到紫外。众所 周知，目前的激光涵盖了这个波谱范围，因此就需要能应用于各个波长激光的 探测器。目前光源( 包括激光器) 的一个显著的应用趋势就是向短波方向发展， 例如，激光加工、激光刻蚀、激光手术等，需要应用到紫外激光；氮化镓等材 料的研镧，使发光二极管发出了蓝紫光( 基于此发展出了自色以及各种颜色的 混合光光源) ；目前的光信息存储技术若广泛采用蓝光或紫光等短波长，则可以 大大提高信息存储密度( 如计算机光盘、光驱、c d 等) 。然而市场上却缺乏相 应的对紫外、蓝紫光进行能量探测监控的能量功率计，例如做激光手术和制备 薄膜的准分子激光器就无相应的外设激光能量功率计可用，而内置的激光功率 能量计的精度也很差。我们的探测器则完全可以用于紫外、蓝紫光的探测，对 已有的准分子等紫外激光器功率的外部测量或升级改善，均是有特别意义的。 ( 2 ) 基于该效应的探测器响应速度快，通常为n s ( 纳秒) 量级，并可达 p s ( 皮秒) 量级，并且随工艺的改进可以进一步提高响应速度。目前短脉冲激 光器的发展越来越受到重视，因为短脉冲激光器在研究核反应过程、化学反应 过程等领域有着广泛的应用。f s ( 飞秒) 量级的激光器已经开始投入试用，因 此，快响应的探测器的研制开发也就成了当务之急。初步的研究表明，我们的 探测器完全可以用于n s 及p s 脉宽的激光测量，并有进一步提高的巨大潜力。 ( 3 ) 基于该效应的探测器的探测灵敏度高。与市售的激光能量计相比，我 们的探测器在红外( 1 0 6 4 n m ) 下其探测灵敏度高了约l o 倍，即约高个数量级， 因此，对于较微弱的光热信号也有较好的响应。 总之，l i t v 光探测器具有宽光谱、快响应、高灵敏度、生产制造工艺简 单、成本价格低廉等优点，可以用于热辐射、各种激光、核爆炸等的探测，也 硕士论文激光功率能量计的初步研究 可用于军事上的光电子对抗、民事上救助、灾害检测等，应用领域涵盖了工业、 科研、国防、天文、医疗、消防、搜救、抢险等领域，应用前景极其光明。 我们的探头元件具有许多优点，但缺乏外围匹配电路，到底选用什么方案 能简便、准确地记录下l i t v 信号。仍然缺乏实验研究：其次，探头在激光照射 下的稳定性也无人进行系统研究；第三，如何保护c m r 薄膜使其能在各种环境 下有效的工作仍需进行系统研究。因此，本文将就此开展工作。 6 硕士论文激光功率能量计的初步研究 第二章c m r 材料的原理及特性 2 1强关联氧化物材料 高温超导和超巨磁电阻材料是国际和国内许多研究小组研究的热点课题， 这两类材料都属于强关联氧化物材料。所谓强关联是指电子与物质中其它基本 物理量之间存在强的相互作用，一般认为当系统中电子之间、电子与晶格之间、 电子的自旋与相邻自旋之间的相互作用强度近似等于大于电子的动能时，该系 统就被称为强关联系统【4 j 】。对于强关联材料，电子的运动通过交换作用和材料 局部的磁性密切相关，从而产生电子运动与磁性有关的现象，如磁致电阻效应 m ，8 9 1 。此外，电子还可以通过电子一声子耦合和晶格发生强的相互作用，导致 电子的运动引起晶格的畸变或发射声子。如对高温超导态，目前普遍认为是由 于电子与电子之间通过声子的关联引起的，即正、负自旋的两个电子通过声子 耦合在一起形成c o o p e r 对【lo 】，c o o p e r 对的两个电子的结合能为体系的最低能 量状态，也就是结合最稳定的状态，最终导致材料中电阻的消失。超巨磁电阻 ( c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c e ，简记为c m r ) 材料亦是强关联材料中的一个分支， 目前其理论还在不断的完善阶段，有的新现象还无法解释。如这类材料中的金 属离子多为过渡族金属，外层为3 d 电子且价态可发生变化，在不掺杂的情况下 都是反铁磁的，随着不同价态离子的代入或氧含量的偏离，反铁磁态受到破坏 或阻碍，出现了过渡状态( 自旋玻璃态，s p i ng l a s s e s ) ，然后就发生了更强烈的 相变由半导体态变化为金属态，从而产生超巨磁电阻效应 1 1 , 1 2 。这种从反铁磁 态开始，经过掺杂或是氧含量的变化，最后发生了相变进入超导或c m r 态， 对这些实验现象现在仍没有统一理论进行解释。 2 2 c m r 材料的基本机理 迄今发现的c l k , l , r 。材料有三种结构类型：钙钛矿结构、尖晶石结构和焦绿石 结构，其中尖晶石和焦绿石为钙钛矿的衍生结构。我们这里主要研究的是锰氧 化物钙钛矿结构，其晶体结构如图2 1 所示。理想的a b 0 3 钙钛矿具有空间 群为p m 3 m 的立方结构，如以a 原子位于立方晶胞的顶点，则氧原子 和b 原子分别处在面心和体心的位置，且b 原予处于0 原子形成的 硕士论文激光功率艟量计的初步研究 第二章c m r 材料的原理及特。陛 2 1强关联氧化物材料 高温超导和超巨磁电阻材料是国际和国内许多研究小组研究的热点课题， 这两类材料都偶于强关联氧化物材料。所谓强关联是指电子与物质中其它基本 物理量之间存在强的相互作用，一般认为当系统中电子之间、电子与晶格之间、 电子的自旋与相邻白旋之间的相互作用强度近似等于大于电子的动能时，该系 统就被称为强关联系统”j j 。对于强关联材料，电子的运动通过交换作用和材料 局部的磁性密切相关，从而产生电子运动与磁性有关的现象，如磁致电阻效应 1 6 7 。此外，电子还可以通过电子一声子耦合和晶格发生强的相互作用，导致 电子的运动引起晶格的畸变或发射声子。如对高温超导态，目前普遍认为是由 于电子与电子之间通过声子的关联引起的，即正、负自旋的两个电子通过声子 耦合在一起形成c o o p e r 对i l “，c o o p e r 对的两个电子的结合能为体系的最低能 量状态，也就是结合最稳定的状态，最终导致材料中电阻的消失。超巨磁电阻 ( c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s u m c e ，简记为c m r ) 材料亦是强关联材料中的一个分支， 目前其理论还在不断的完善阶段，有的新现象还无法解释。如这类材料中的金 属离子多为过渡族金属，外层为3 d 电子且价态可发生变化，在不掺杂的情况下 部是反铁磁的，随着不同价态离子的代入或氧含量的偏离，反铁磁态受到破坏 或阻碍，出现了过渡状态( 自旋玻璃态，s p i ng l a s s e s ) ，然后就发生了更强烈的 相变由半导体态变化为金属态，从而产生超巨磁电阻效应 1 l , 1 2 。这种从反铁磁 态开始，经过掺杂或是氧含量的变化，最后发生了相变进入超导或c m r 态， 对这些实验现象现在仍没有统一理论进行解释。 2 2c m r 材料的基本机理 迄今发现的c m r 材料有三种结构类型：钙钛矿结构、尖晶石结构和焦绿石 结构，其中尖晶石和焦绿石为钙钛矿的衍生结构。我们这里主要研究的是锰氧 化物钙钛矿结构，其晶体结构如图2 1 所示。理想的a b 0 3 钙钛矿具有空间 群为p m 3 m 的立方结构，如以a 原子位于立方晶胞的顶点，则氧原子 和b 原子分别处在面心和体心的位置，且b 原子处于0 原子形成的 和b 原子分别处在面心和体心的位置，且b 原子处于0 原予形成的 碗士论文激光功率能量计的初步研究 八面体中。 a = l a ，p r ，s m 或c a 。b a ，s r b = m n o x y g e n 图2 1 理想的钙钛矿a b 0 3 晶格结构 实际上，a b 0 3 型钙钛矿晶体都畸变成正交( o r t h o r h o m b i e ) 对称 性或菱面体( r h o m b o h e d r a l ) 对称性。畸变主要是锰原子m n 3 + d 4 中 的e 。电子使氧八面体发生畸变引起的，通常称为j a h n t e l l e r 畸变， 它使e g 态的简并消除。另外，也可能是由于a 原子比b 原子大，使 得a 一0 层与b 一0 层的原子直径之和有较大差别，引起相邻层不匹 配所致。通常，我们用容忍因子来描述钙钛矿结构的稳定程度，容 忍因子的定义表达式为： t = ( + r 0 ) ，2 ( + t o ) 式中的h ，r 口和，d 为相应离子的半径，当t 在o 7 5 1 0 0 之间时， 所形成的钙钛矿结构是稳定的。对于部分稀土元素r e 被二价碱土金 属元素替代的掺杂锰氧化物r e l 。t 。m n 0 3 ，出现了m n 4 + 离子，使得 结构可能随掺杂量x 的增加而引起变化。比如当t = c a 时，m n 4 + 离子 随掺杂量的增加而增加，从而引起结构的变化。当x 0 2 时， l a l 。c a 。m n 0 3 结构为正交菱面体结构；o 2 2 9 , 3 0 。由于 s e e b e c k 效应与载流子的输运性质密切相关，对l c m o 中激光感生 电压效应的研究，自然对c m r 的机理理解有重要意义。此外，由于 这类薄膜的稳定性比y b c o 更好，因此对制备实用器件也有重要意 义。 综合迄今为止的主要实验结果，可以归纳出以下几点： 1 、室温下以脉冲激光照射倾斜生长的y b c o 膜或l c m o 膜， 可以在膜两端测到瞬间的电压信号。 2 、在y b c o 薄膜中，感生电压信