: Uncooled bolometer based on La0.7Sr0.3MnO3 thin films: Thermal model, electrical and optical characterizations
Bolomètres non refroidis à base de couche minces La0,7Sr0,3MnO3 : modèle thermique, caractérisations électrique et optique
Résumé
The aim of this thesis is to evaluate LSMO (La0,7Sr0,3MnO3) thin films deposited on substrate as room temperature radiation detector, by using the variation of its resistance electric near 300 K. An optical measurement setup has been designed and realized to achieve this objective. This setup was to characterize the LSMO samples as bolometrical radiation detector. A detailed thermal model of thin-film-on-substrate structure is proposed. It interprets the variation of the optical responsivity versus the modulation frequency of laser radiation power. The discussion of this model includes presenting the heat diffusion into substrate, and the film-substrate interface thermal resistance. This model has been analyzed and validated using the measurement results of many detection surfaces (meander shape) and substrate materials. The value of film-substrate interface thermal resistance was estimated for different substrates. The bolometer characterization includes the thermal and electrical parameters, like TCR and thermal conductance, needed to qualify its performance. Also, measurement and analysis of optical responsivity and noise for many different pixel surfaces on different substrates is presented. The role of detector geometry (pixel surface, film thickness, and number of strips) and substrate material (SrTiO3, MgO, SrTiO3/Si) on the bolometer performance is studied by using the measurement results and calculation data issued from the proposed model. The measured specific detectivity increases for higher pixel size and lower substrate material thermal conductivity. We estimated 2x107 cm.W-1.Hz1/2 for 200x200 µm² LSMO/STO sample. For LSMO/Si, estimation of 21 µs response time was achieved for 50x50 µm², which is comparable to that of photon detectors.
Ce travail évalue la potentialité de couches minces LSMO (La0,7Sr0,3MnO3) déposées sur substrat comme détecteur de rayonnement à température ambiante, en exploitant la variation de sa résistance électrique au voisinage de 300 K. Un banc de mesure optique a été mise en place (conception et réalisation) pour achever cet objectif. Ce banc a été utilisé pour caractériser les échantillons LSMO comme détecteur de rayonnement bolométrique. Un modèle thermique analytique détaillé de la structure couche-mince-sur-substrat est proposé. Il interprète les variations de la sensibilité optique par rapport la fréquence de modulation de la puissance laser rayonnée. La discussion du modèle comprend la présentation de la diffusion de la chaleur dans le substrat et la résistance thermique d'interface couche-substrat. Ce modèle a été analysé et validé à l'aide des résultats de mesure de plusieurs surfaces de détection (méandre forme) pour différents matériaux de substrat. La valeur de la résistance thermique de l'interface couche-substrat a été estimée pour les différents substrats. La caractérisation de bolomètre inclut les paramètres thermiques et électriques, comme le TCR et la conductance thermique, nécessaires pour qualifier sa performance. Ainsi, la mesure et l'analyse de sensibilité optique et le bruit de plusieurs pixels surfaces sur différents substrats sont présentés. Le rôle de pixel géométrie (pixel surface, l'épaisseur du film, nombre de méandres) et le matériau de substrat (SrTiO3, MgO, SrTiO3/Si) sur les performances du bolomètre est étudiée, en utilisant les résultats de mesure et les données de calcul issus du modèle. La détectivité spécifique mesurée augmente pour une taille du pixel plus grand et une conductivité thermique du substrat plus petit. On estime 2x107 cm.W-1.Hz1/2 pour échantillon 200x200 µm² LSMO/STO. Pour LSMO/Si, un temps de réponse 21 µs été obtenue pour 50x50 µm², ce qui est comparable à celui des détecteurs photonique.
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