Резкий характер перехода из нормального в сверхпроводящее состояние при понижении температуры позволяет создавать болометры с рекордной чувствительностью. Эксперименты показывают возможность создания весьма быстродействующих детекторов электромагнитного излучения с использованием неравновесного состояния сверхпроводника. В то же время отсутствие дисперсии при распространении сигнала в сверхпроводящей линии позволяет строить на их основе широкополосные линейные устройства, такие как линии передачи и задержки с малым затуханием и фильтры с рекордной добротностью.
Таким образом, применение сверхпроводников позволяет улучшить характеристики практически всех ключевых компонентов приемных СВЧ систем, а в перспективе построить полностью сверхпроводниковые приемные устройства с рекордными характеристиками. Быстродействующие, чувствительные детекторы и смесители с широким спектральным диапазоном требуются в спектроскопии, оптоволоконной связи и микроволновой радиосвязи, а также в радиоастрономии и других научных исследованиях.
Открытие в 1986 году Беднорцем и Мюллером нового класса сверхпроводящих материалов и обнаружение затем сверхпроводника YBa2Cu3O7-d с критической температурой 93К породило надежду на создание сверхпроводниковых устройств, работающих при температуре жидкого азота. Для таких устройств требуется намного более простая и компактная система охлаждения, что позволит сильно расширить область их применения.
Для создания чувствительных сверхпроводниковых детекторов много внимания уделялось устройствам на основе джозефсоновских переходов. Но создание надежных джозефсоновских переходов на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) встретило ряд технологических сложностей, связанных прежде всего с очень малой длиной когерентности в этих материалах.
Другим интересным методом создания быстродействующих приборов является использование сверхпроводящего перехода однородной пленки в резистивное состояние. Как правило, при этом используется мостик или полоска из тонкой пленки сверхпроводника. Крутизна сверхпроводящего перехода, большая скорость переключения и нелинейность позволяют строить на основе тонких пленок сверхпроводников детекторы, смесители и другие высокочастотные устройства. Использование неравновесного состояния сверхпроводника позволяет получить еще более высокое быстродействие устройства. Применение однородной пленки позволяет использовать более простую слоистую структуру, требуемую для создания устройства, и снижает сложность технологических проблем. В частности, на основе той же пленки достаточно просто можно сделать необходимые линейные компоненты системы, т.е. линии и фильтры. Возможность широкого изменения планарных размеров мостика позволяет согласовывать его импеданс с подводящими элементами. Критический ток и ток смещения при этом могут быть выбраны в соответствии с условиями работы.
При применении ВТСП использование лишь одного слоя сверхпроводника упрощает напыление пленок и литографию структуры. При использовании электронной литографии возможно, в том числе, создание джозефсоновских мостиков (например, т.н. мостиков Дайема).
Такая гибкость представляет уникальные возможности создания ВТСП приемников СВЧ на основе тонкопленочных микромостиков.
1.2. Цель работы
Данная работа направлена на создание конкурентоспособных быстродействующих приборов терагерцового диапазона на основе ВТСП.
Диссертация посвящена созданию быстродействующего детекторасмесителя на основе тонкой пленки высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7-d, работающего при температуре жидкого азота, и разработке необходимых для этого средств.
1.3. Научная новизна
Научная новизна работы состоит в создании и исследовании широкополосного приемника излучения терагерцового диапазона с высокоэффективной антенной на основе высокотемпературного сверхпроводящего болометра на горячих электронах. Новыми являются также использованные для его создания методы и приемы.
1.4. Основные положения, выносимые на защиту
1. Различными методами получены высококачественные тонкие и особо тонкие (менее 30 нм) пленки высокотемпературных сверхпроводников с высокими критическими параметрами и многослойные структуры на их основе (YBa2Cu3O7-d\Au, YBa2Cu3O7-d\PrBa2Cu3Ox\Au).
Впервые успешно осуществлен метод напыления гладких плёнок ВТСП, основанный на скоростной фильтрации лазерной плазмы.
В результате исследования процесса распространения лазерной плазмы при осаждении пленок определены оптимальные условия применения метода скоростной фильтрации.
2. Методом фотолитографии с использованием различных способов травления получены планарные структуры микроболометров в форме меандра, микромостика в копланарной линии и микромостика со спиральной антенной. Для этого разработаны и успешно использованы методики травления с применением оригинальных технологических приемов:
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
- химического травления золота и ВТСП в безводных растворах подобранной вязкости,
- комбинированного травления золота с последовательным использованием ионного и химического травления.
Применение разработанных методик позволило получить ВТСП микромостики размером менее 2 мкм в составе многослойной интегральной структуры при сохранении высоких сверхпроводящих свойств пленки.
3. Разработана и изготовлена интегральная структура, включающая тонкопленочный ВТСП микроболометр на горячих электронах, широкополосную логопериодическую спиральную антенну и микрополосковую копланарную линию для вывода сигнала. Характеристики такого устройства показали высокую эффективность связи ВТСП мостика с излучением в диапазоне частот 2,5–4 ТГц. Достигнуто значение эффективности связи 0,6, близкое к максимальному (0,73), с учетом потерь от внешних элементов измерительной установки.
Получены антенны с различной диаграммой направленности, в том числе узконаправленной, с шириной диаграммы 1°.
4. Для структуры YBa2Cu3O7-d с защитным слоем PrBa2Cu3Ox определено влияние защитного слоя на время ухода фононов в подложку. Получена оценка величины удельного теплового сопротивления между пленкой YBa2Cu3O7-d и эпитаксиальным защитным слоем PrBa2Cu3Ox. Показано, что быстродействие устройства на более высоких частотах (до 80 ГГц) ограничивается временем электрон-фононного взаимодействия в сверхпроводнике.
5. Получены шумовые характеристики ВТСП мостика с гибридной антенной в качестве приемника излучения, а также оценки характеристик смесителя на основе таких структур. Эти оценки подтверждают, что возможно создание устройства такого типа с лучшими шумовыми характеристиками, чем используемые в настоящее время диоды Шоттки.
1.5. Практическая ценность работы
Устройства, полученные в данной работе, могут использоваться в качестве быстродействующих чувствительных детекторов и смесителей в субмиллиметровом диапазоне длин волн излучения. Методы осаждения гладких тонких пленок ВТСП и фотолитографии могут использоваться для изготовления других тонкопленочных приборов.
1.6. Апробация работы
Результаты работы докладывались на 1-м Всесоюзном совещании «Физикохимия и технология высокотемпературных сверхпроводящих материалов» (Москва, 13 – 15 сентября 1988), 1-м Всесоюзном семинаре «Сверхматрица» (Москва, 4 – 6 мая 1989), 5-м Чехословацком Симпозиуме по слабой сверхпроводимости (Чехословакия, Смоленице, 29 мая – 2 июня 1989г.), Международных конференциях по физике низких температур LT21 (Чехия, Прага, 8 – 14 августа 1996г.) и LT22 (Финляндия, Хельсинки, 4 – 11 августа 1999г.), Третьей Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости EUCAS’97 (Нидерланды, Твент, 30 июня – 3 июля 1997г.)
1.7. Публикации
По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, список приведен в конце реферата. Из них 9 статей опубликовано в реферируемых журналах и 6 – в материалах конференций.
1.8. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, включая заключительную, списка публикаций и списка цитированной литературы. Работа изложена на 157 страницах, содержит 44 рисунка и 11 таблиц. Список цитированной литературы содержит более 140 наименований.
2. Содержание диссертации
2.1. Введение
Во введении обосновывается необходимость разработки быстродействующих приемников субмиллиметрового диапазона, кратко рассматриваются преимущества сверхпроводниковых приемников, принципы их работы и проблемы, возникающие при использовании в них высокотемпературных сверхпроводников. Обосновываются преимущества тонкопленочных ВТСП микромостиков в качестве активных элементов таких устройств.
2.2. Глава 1. Обзор литературы
В первой главе представлен обзор работ, посвященных эффекту электронного перегрева в сверхпроводниках, методам осаждения тонких пленок ВТСП и тонкопленочным антенным структурам.
Первые разделы главы излагают условия возникновения электронного перегрева в сверхпроводнике, двухтемпературную модель, описывающую перегрев электронов в сверхпроводнике в резистивном состоянии вблизи критической температуры, и особенности этого эффекта в ВТСП.
Указаны требования, предъявляемые к подложке, исходной пленке ВТСП и ВТСП микромостику с точки зрения чувствительности и быстродействия детектора. Для работы на высоких частотах используемая подложка должна иметь небольшую диэлектрическую постоянную и малые потери, а для обеспечения высокого быстродействия – хорошую теплопроводность. Отмечено, что для достижения высокого быстродействия пленка ВТСП должна иметь минимальную толщину и резкий сверхпроводящий переход, а также малое тепловое сопротивление на границе с подложкой. Приведены формулы, описывающие влияние характеристик подводящих линий и регистрирующей аппаратуры на конечный сигнал, показано, как можно восстановить форму исходного сигнала.
Далее сделан обзор методов осаждения тонких пленок в применении к ВТСП с анализом основных технологических трудностей. Описаны основные методы осаждения, использованные в работе, их преимущества и недостатки, обосновывается выбор импульсного лазерного испарения как основного метода, применявшегося в данной работе. Рассмотрены различные конфигурации импульсного лазерного испарения, применяемые для осаждения гладких пленок, и их особенности. В частности, отмечается, что использование механических фильтров для удаления паразитных макрочастиц при импульсном лазерном испарении до данной работы считалось малоэффективным.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
В последнем разделе описаны различные тонкопленочные антенны, использующиеся для подвода высокочастотной мощности к детектору, и рассматриваются их особенности. Обоснован выбор спиральной самокомплементарной логопериодической антенны в качестве широкополосной тонкопленочной компоненты в гибридной антенне.
2.3. Глава 2. Методы и результаты
Во второй главе диссертации описаны развитые и использованные методы осаждения тонких пленок ВТСП и фотолитографии, методики исследования разработанных образцов детектора, и результаты, полученные на каждой стадии работы.
В первом разделе главы описывается принцип скоростной фильтрации и экспериментальная устаная для осаждения гладких тонких пленок ВТСП. Скоростная фильтрация основана на том, что макрочастицы, образующиеся при испарении вещества мишени под действием
импульса лазера, движутся намного медленнее газовой компоненты, из которой осаждается пленка. При этом можно пропустить быструю плазму и, используя механическую заслонку, закрыть путь макрочастицам. В качестве такой механической заслонки нами использовался быстро вращающийся диск из алюминиевого сплава с отверстием для прохода лазерной плазмы (Puc. 1). Запуск лазерных импульсов синхронизировался с вращением диска так, чтобы быстрая газовая струя проходила через отверстие диска, а более медленные макрочастицы задерживались.
Исследование свечения лазерной плазмы от времени на разных расстояниях от мишени позволило нам оценить скорость распространения плазмы, которая оказалась порядка 5´105 см/с на расстоянии около 2 см от мишени. Мы расположили полированный диск вблизи подложки (4,5– 5 см от мишени) и исследовали осаждение вещества на него при скорости вращения 400 об./с. После осаждения он был более чем на 1/4 покрыт пленкой и каплями вещества мишени. Это позволило оценить нам длительность процесса осаждения около 0,5-1 мс. Примерно в это же время подложки достигают паразитные капли и кластеры, наблюдавшиеся на поверхности диска. Близкие результаты дали опыты с осаждением пленки на кристаллические подложки, при которых отверстие диска проходило непосредственно перед подложкой с задержкой относительно лазерного импульса. При этом были получены пленки с хорошими сверхпроводящими свойствами, а толщина пленки с увеличением задержки убывала приблизительно как ~exp(-t| t0), где t0=230 мкс.
Таким образом, лазерная плазма движется с высокой скоростью в начальный момент распространения и затем сильно тормозится, так что области подложки плазма и капли достигают одновременно. Поэтому мы расположили диск-заслонку в области сильного торможения плазмы, на расстоянии 2 см от мишени. При этом большая часть газовой струи проходила сквозь отверстие диска очень быстро, за время порядка 10 мкс, и достигалась высокая эффективность фильтрации от медленных капель и частиц.
Для оценки эффективности фильтрации изучалась зависимость плотности числа капель, попадающих на подложку, от времени задержки закрытия подложки диском. В этих опытах использовались специальные кремниевые подложки с высококачественной промышленной полировкой. Пленки толщиной 200 нм, осажденные при различной скорости вращения диска, изучались под микроскопом с целью подсчета количества капель разного размера, осевших за 8000 лазерных импульсов. Исходя из геометрических данных и скорости вращения диска, было вычислено также время задержки закрытия заслонки t для каждого опыта.
В результате (Puc. 2) оказалось, что плотность капель N резко возрастает при t » 50 мкс и затем достигает насыщения при t ³ 150 мкс. Отсюда следует, что средняя скорость капель Vd » 2´104 см/с, причем она не сильно различается для капель размерами от 0,1 до 10 мкм.
При скорости вращения диска 250 об./с приблизительно половина капель достигала подложки, а при скоростях более 460 об./с число их снижалось не менее чем в 105 раз. При нанесении на подложку буферных слоев стабилизированной иттрием окиси циркония (YSZ), осаждаемых в вакууме при давлении 10-6–10-3 мБар, достигалась такая же высокая эффективность.
Температурные зависимости экранирования магнитного поля для некоторых из полученных гладких пленок показаны на Puc. 3. Все кривые показывают резкие переходы пленок в сверхпроводящее состояние. Для различных подложек сопротивление образцов достигало нуля при Tc = 90,3 K (a), 91 K (b), 91,4 K (c), и 92 K (d) соответственно. Описанные результаты были получены с использованием ультрафиолетового экси-
мерного XeCl лазера фирмы Lumonics с длиной волны l = 308 нм. При использовании YAG:Nd3+ лазера с l = 1064 нм нами были получены пленки YBa2Cu3O7-d столь же высокого качества.
Большая часть пленок, полученных методом скоростной фильтрации, осаждалась на (100)-ориентированных подложках MgO. Затем на них ‘in situ’ осаждались последовательно защитный слой PrBa2Cu3Ox и слой золота, после чего эти структуры использовалась для фотолитографии микромостиков.
В данной работе высококачественные пленки ВТСП были также получены методом двухлучевого импульсного лазерного испарения, «неосевого» осаждения и магнетронного распыления.
Второй раздел второй главы посвящен фотолитографии полученных структур. В нашей работе мы получали планарные структуры трех видов:
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
- микроболометр в форме меандра,
- микромостик размером 100´10 мкм и менее, встроенный в копланарную линию и
- микромостик размером 3´3 мкм встроенный в спиральную антенну с копланарной линией.
Копланарная линия служила для вывода широкополосного сигнала к регистрирующей аппаратуре. Антенна и копланарная линия формировались из слоя золота, лежащего на ВТСП, с микромостика золото снималось. Так формировался ВТСП болометр.
На одном образце располагалось четыре планарных структуры. Планарные структуры делалась в два этапа, на первом формировался общий контур изображения, включающий планарную антенну и болометр, а на втором – с области микромостика удалялось золото. В соответствии с этим проектировались фотошаблоны. Фотошаблон для первого этапа определял ширину микромостика, фотошаблон для второго этапа формировал прямоугольное окно в фоторезисте и определял длину микромостика. Такой подход облегчал процедуру совмещения изображений на втором этапе фотолитографии.
Для формирования изображения использовались промышленные позитивные фоторезисты на основе полиметилметакрилата. Экспозиция производилась контактным методом на лабораторных установках совмещения и экспонирования либо проекционным методом при помощи микроскопа с кварцевыми линзами. Проявление фоторезиста осуществлялось в растворе NaOH или в проявителях, поставляемых производителями фоторезистов.
Для травления золота использовались растворы йода I2 в растворе йодида натрия NaI на водной и неводной (этиленгликоль, глицерин) основе, травление ВТСП осуществлялось в водных и безводных растворах минеральных кислот, прежде всего азотной (HNO3). Для обоих слоев также применялось ионное травление.
Хотя хорошие результаты были получены при использовании всех упомянутых методов, возникающий при травлении в растворах подтрав ограничивал размеры получаемых микромостиков. Использование неводных растворов высокой вязкости несколько уменьшал подтрав, но не подавлял его полностью. Нам удалось устранить подтрав при травлении ВТСП при помощи добавления в состав травителя фтористого аммония (NH4F) в концентрации 0,03% в 0,2% растворе азотной кислоты. Но при химическом травлении золота подтрав оставался значительным, это ограничивало размеры получаемого микромостика величиной 3–4 мкм.
Наилучшие результаты на первой стадии фотолитографии были получены при помощи ионного травления, однако попытка удалить золото с микромостика без повреждения ультратонкой пленки ВТСП оказалась неудачной. Мы обнаружили, что ионы аргона повреждают ВТСП, как только слой золота оказывается достаточно тонок для этого. Этот слой оказывался еще хорошо проводящим и эффективно замыкал микромостик.
Поэтому нами был разработан комбинированный способ травления, при котором большая часть золота удалялась ионным травлением, а остающийся слой толщиной не более 50 нм снимался химически в безводном растворе. Таким образом нам удалось получить микромостики размером 1–3 мкм в обоих измерениях при полном сохранении сверхпроводящих свойств пленки ВТСП.
Зависимость сопротивления от температуры для некоторых структур приведены на Puc. 4. Исходные пленки для образцов имели следующие толщины: 877 – 35 нм, 858 – 31 нм и 879 – 37 нм. Все образцы имели защитный слой PrBa2Cu3Ox толщиной 5–7 нм, слой золота составлял 250 нм. Из рисунка видно, что критическая температура микромостика высокая и ширина перехода стабильно небольшая, не более 2К, что можно считать очень хорошим результатом для структуры на основе столь тонких пленок.
Последний, третий раздел второй главы посвящен исследованию характеристик полученных образцов. Для исследования быстродействия встроенный в копланарную линию микроболометр облучался импульсами титан-сапфирового лазера длительностью около 100 фс. Отклик регистрировался при помощи строб-осциллографа, время нарастания переходной характеристики всей регистрирующей системы по уровню 0,1–0,9 составляло около 25 пс.
В отклике микромостика был хорошо виден высокий начальный пик, связанный с перегревом электронов, затем он переходил в экспоненциальный спад, соответствующий выходу фононов в подложку. Результаты измерений обрабатывались в рамках двухтемпературной модели с учетом влияния переходной характеристики измерительной аппаратуры. Таким образом мы получили данные о характерных временах релаксации температуры микромостика: времени электрон-фононного взаимодействия tep » 2 пс и времени выхода фононов в подложку tes = 1,3–3,5 нс, в зависимости от толщины пленки. При этом для образцов с защитным слоем время tes не было прямо пропорционально ни толщине пленки YBa2Cu3O7-d, ни суммарной толщине пленки и защитного слоя PrBa2Cu3Ox.
Образцы с микромостиком и спиральной антенной устанавливались с гиперполусферической кремниевой линзой так, что формировалась гибридная антенна. Такой прибор исследовался под воздействием излучения перестраиваемого аммиачного лазера с частотами 2,5–4,2 ТГц.
Измерение диаграммы направленности гибридной антенны показало, что на частоте 2,5 ТГц основной лепесток антенны имеет полную ширину на уровне -3 дБ менее 1°, боковые лепестки невелики, менее -8 дБ. Диаграмма направленности представляет собой практически симметричный конус в соответствии с симметрией антенны. На более высоких частотах диаграмма направленности немного шире и не столь симметрична, что связано с большей чувствительностью к погрешностям установки антенны относительно оси линзы. Мы также устанавливали образец вплотную к гиперполусферической линзе, в этой конфигурации диаграмма направленности была намного шире, около 20°, и имела несколько максимумов и минимумов, связанных, вероятно, с интерференционными эффектами в линзе.
Мы также исследовали частотную характеристику микроболометра на низких, до 10 кГц, частотах модуляции при помощи оптического прерывателя. Характеристика имела слабую зависимость величины отклика от частоты прерывателя и имела лишь небольшой подъем на частотах ниже ~100 Гц. Эта характеристика не менялась при смене частоты излучения.
Измерялись также вольтамперные характеристики микромостика как при облучении образца, так и без облучения. Измерения производились при различных температурах вблизи сверхпроводящего перехода. Мы обнаружили, что терагерцовое облучение микромостика приводит к понижению тока, при этом дифференциальное сопротивление остается почти постоянным. Понижая температуру микромостика при его облучении, мы обнаружили, что вольтамперная характеристика при температуре 79,1 К практически совпадает с характеристикой при температуре 80,7 К, снятой без облучения. Поэтому мы предположили, что действие терагерцового излучения на микромостик сводится, в основном, к его нагреву, в данном случае – на ~ 1,5 К при плотности мощности излучения на входном окне криостата 1,1´10-5Вт/см2. Уменьшение мощности излучения приводило к пропорциональному уменьшению нагрева.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Измерение шума микроболометров производилось при помощи широкополосных малошумящих предусилителей и анализатора спектра.
Шумовая температура микромостиков убывала с ростом частоты и составляла несколько сот градусов Кельвина на частотах до 0,8 ГГц и около 100 К на частотах выше 1 ГГц.
Исследование шума микроболометра показало, в зависимости от образца, отсутствие или наличие заметной токовой составляющей. При этом шумовая температура разных образцов составляла 90–160К на частоте
1 ГГц. При более высоких частотах шумовая температура оставалась почти постоянной. Измерения при температурах ниже критической показали, что в резистивном состоянии шум образца увеличивается при понижении температуры и при увеличении тока. Это поведение наблюдалось и при более высоких частотах, 2 8 ГГц.
Эти результаты показывают, что значительный вклад в шумовую температуру образца вносят не только избыточный и джонсоновский шум и флуктуации электронной температуры, но и токовый шум.
2.4. Глава 3. Обсуждение
Третья глава диссертации посвящена обсуждению полученных результатов. В первом разделе оценивается время ухода фононов из пленки, покрытой эпитаксиальным защитным слоем с близкими параметрами решетки. Показано, что среднее время ухода фононов из пленки YBa2Cu3O7-d в такой структуре будет соответствовать времени ухода фононов из однородной пленки с эффективной толщиной deff = dY[1+dPr/(2dY + dPr)], где dY и dPr – толщины ВТСП и защитного слоя, соответственно. Показано, что при таком учете влияния защитного слоя зависимость времени выхода фононов из пленки от эффективной толщины хорошо согласуются с линейной зависимостью от толщины, характерной для пленок без защитного слоя . В этом разделе также проведен более точный анализ отклика образца с защитным слоем и показано, что наличие защитного слоя приводит к некоторому ускорению охлаждения пленки YBa2Cu3O7-d в первое время после импульса лазера и, соответственно, увеличению отклика на частотах выше ~1/(2ptes), где tes характерное время ухода фононов из пленки без защитного слоя. В то же время остывание пленки ВТСП с защитным слоем в целом происходит несколько медленнее. Этот подход позволил также получить численную оценку удельного теплового сопротивления на границе пленки YBa2Cu3O7-d и защитного слоя PrBa2Cu3Ox (0,3-1,3)·10-3 K·см2/Вт, что составляет ~(0,52,4) от величины удельного теплового сопротивления на границе ВТСП и подложки (MgO).
На основе полученных данных о быстродействии микромостиков рассчитана частотная зависимость отклика от частоты модуляции (Puc. 5). Из рисунка видно, что расчетная кривая для частот около 104 Гц проходит близко к экспериментальным точкам, тогда как на более низких частотах отклик несколько больше. Скорее всего, это расхождение возникает из-за дополнительного теплового сопротивления между подложкой и криостатом.
Далее, используя измеренную зависимость поглощенной мощности P от угла облучения, мы оценили ширину диаграммы направленности антенны по половинной мощности QA и коэффициент направленного действия антенны D » 4p / QA2. Из наших измерений диаграммы направленности гибридной антенны на частоте 2,5 ТГц (l = 119 мкм) мы получили
коэффициент направленного действия D » 4´104 (46 дБ) и соответствующую эффективную апертуру Aэфф = l2D/4p » 45 мм2. Более точный расчет, учитывающий боковые лепестки диаграммы направленности, дал величину D = 104 (40 дБ). Это очень большое значение, прекрасно характеризующее нашу узконаправленную антенну. Такие величины обычно свойственны антенным решеткам.
Эффективность связи с гауссовым пучком рассчитывалась по формуле a = YA YG для гауссова пучка в форме
Y (Q) ~ exp([Q Q ]2 )exp(± ip [Q Q ]2 ), где Q угол падения излучения,
G 0 1
Q0 и Q1 характеристические углы для амплитуды и фазы соответственно, а YA(Q) описывает экспериментальную диаграмму направленности. Параметры Q0 и Q1 варьировались для нахождения величины оптимальной связи интегральной антенны с гауссовым пучком. Наши расчеты показали величину 73% как максимальную эффективность связи антенны с гауссовым пучком на частоте 2,5 ТГц.
Моделирование диаграммы направленности методом геометрической оптики показало хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных, что говорит о применимости этого метода для расчета таких устройств.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Мы обнаружили совпадение вольтамперных характеристик для разных температур с облучением и без него и пришли к выводу, что действие тока терагерцовой частоты сводится, в основном, к нагреву микромостика. Это позволяет определить высокочастотную мощность, достигающую микромостика, и оценить эффективность связи, обеспечиваемую системой в целом. Для гибридной антенны эта эффективность составила 0,1. В эту величину вносят вклад потери (0,3) от рассогласования импедансов антенны (предположительно 377(2(1+e))-1/2) и микромостика, поляризационные потери (0,5), связанные с чувствительностью антенны к излучению с круговой поляризацией, отражение от поверхности линзы (0,3) и потери на входном майларовом окне (0,1). Таким образом, мы оценили эффективность связи собственно антенны, которая составила 0,6, что чуть ниже максимальной связи с гауссовым пучком. Разница может быть отнесена к несовпадению использованного гауссова пучка с оптимальным, диэлектрическим потерям в материале линзы и омическим потерям в антенне. На наш взгляд эффективность связи может быть улучшена в первую очередь за счет использования просветляющего покрытия на кремниевой линзе и устранения рассогласования импедансов антенны и микромостика.
Используя параметры наших образцов и экспериментальной установки, мы оценили также эффективность преобразования частоты в случае работы микроболометра в режиме смесителя. Она составила h » 5×10-4 на частоте 1,5 ГГц. Используя измеренные значения шумовой температуры микромостика, мы получили величину шумовой температуры приемника 2×104 К на нулевой частоте и 3×105 К на частоте 1,5 ГГц. Эти величины шумовой температуры приемника были получены с использованием экспериментальных значений температуры и доступной мощности лазера. В то же время, для рабочей температуры 79,1 К оценка оптимальной мощности приблизительно в пять раз больше, чем в наших опытах. Поэтому мы считаем, что понижение рабочей температуры нашего приемника до
»70 К и увеличение мощности лазера приведет к повышению эффективности преобразования в 30-100 раз. Кроме того, применение просветляющего покрытия на кремниевой линзе может снизить потери на отражение. Согласование импедансов антенны и микромостика также позволит увеличить эффективность приемника. Так как свойства антенны практически не зависят от частоты и шумовая температура микромостика почти постоянна в широком интервале рабочих температур, мы полагаем, что может быть достигнута шумовая температура не хуже чем у диода Шоттки (104 К на частоте ~1ТГц) при более широкой полосе несущих частотах до 6 ТГц при частотах модуляции 10 ГГц и более.
2.5. Глава 4. Выводы и заключение
Четвертая, заключительная глава работы суммирует основные результаты и выводы, полученные в диссертации:
В настоящей работе создан новый метод импульсного лазерного осаждения гладких тонких пленок метод скоростной фильтрации лазерной плазмы. Исследованы пространственно-временные характеристики распространения лазерной плазмы и паразитных частиц. Определено, что в наших условиях при осаждении пленок ВТСП паразитные частицы достигают подложки одновременно с плазмой, со скоростью 2´104 см/с. При этом плазма вначале движется много быстрее, со скоростью 5´105 см/с, а затем ее распространение сильно замедляется, в то время как более крупные паразитные частицы движутся почти равномерно. Определена продолжительность процесса осаждения: 0,5-1 мс. Эти данные позволили определить требования к конфигурации системы скоростной фильтрации и достичь высокой эффективности фильтрации – снижения числа паразитных частиц в 105 раз и более. Тем самым доказана возможность создания высокоэффективных механических фильтров для осаждения гладких пленок.
Получены высококачественные гладкие тонкие пленки YBa2Cu3O7-d с Tc = 90–92 K, jc = 3´106 А/см2 при T = 77K на различных подложках: YSZ, Al2O3, MgO. На подложках MgO были получены особо тонкие пленки YBa2Cu3O7-d толщиной 20-30 нм с высокими сверхпроводящими свойствами. Получены многослойные структуры YBa2Cu3O7-d\PrBa2Cu3Ox\Au.
Высококачественные гладкие тонкие пленки ВТСП получены и другими методами импульсного лазерного осаждения двухлучевым распылением, «неосевым» осаждением, а также магнетронным распылением.
Методом фотолитографии были получены планарные структуры микроболометров в виде меандра, в виде микромостика, встроенного в копланарную линию, и в виде микромостика со спиральной антенной.
Структуры получены при помощи различных методов травления: в водных растворах, в безводных растворах высокой вязкости и ионного распыления. Наилучшее разрешение фотолитографии достигнуто с применением ионного травления, но при этом обнаружено, что ионы легко повреждают тонкую пленку ВТСП. Было показано, что без повреждения пленки ВТСП полностью удалить слой металла (золота) с поверхности ВТСП при помощи одного лишь ионного распыления невозможно.
Нами был разработан комбинированный метод травления, при котором основная часть золота снималась ионным пучком, а затем оставшийся тонкий слой удалялся травлением в безводном растворе. Такой комбинированный метод позволил подойти к практическому пределу разрешения фотолитографии и получить микромостики ВТСП размером 1-2 мкм без ухудшения сверхпроводящих свойств пленки.
Для изучения быстродействия были использованы микроболометры в виде микромостика в копланарной линии. При их облучении ультракороткими импульсами света (100 фс) титан-сапфирового лазера зарегистрирован неравновесный отклик и определена важная характеристика вещества болометра – время электрон-фононного взаимодействия (tep » 2 пс), а также время выхода фононов в подложку. Эти времена являются важнейшими характеристиками приемника, ограничивающими его быстродействие. Обнаружено, что наличие защитного слоя PrBa2Cu3Ox на мостике ВТСП увеличивает время выхода фононов в подложку и тем самым, в целом, несколько снижает быстродействие микроболометра. Показано, что влияние защитного слоя может быть описано через эффективную толщину пленки YBa2Cu3O7-d по формуле
deff = dY[1+dPr/(2dY + dPr)], где dY и dPr – толщины ВТСП и защитного слоя, соответственно. Кроме того, впервые получена оценка для величины удельного теплового сопротивления на границе пленки YBa2Cu3O7-d и защитного слоя PrBa2Cu3Ox.
Важным результатом данной работы стало интегрирование микроболометра и широкополосной антенны на одной подложке. Это позволило получить связь микроболометра с излучением в субмиллиметровом диапазоне на частоте 2,5 ТГц равную 0,6, что близко к расчетному пределу (0,73).
Экспериментально определены диаграммы направленности антенны с гиперполусферической линзой и интегральной антенны в субмиллиметровом диапазоне. Для интегральной антенны получена очень узкая, около 1°, диаграмма направленности. Показано, что изменение расположения гиперполусферической линзы относительно спиральной антенны с микроболометром позволяет получать диаграммы направленности с шириной основного лепестка в интервале от 20° до 1°. Математическое моделирование показало применимость метода геометрической оптики для расчета таких устройств.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Исследование шума микроболометра показало, в зависимости от образца, отсутствие или наличие заметной токовой составляющей. При этом уровень шума на разных образцах составлял 90–160К на частоте 1 ГГц.
Полученные данные позволили оценить предполагаемую эффективность преобразования h » 5×10-4 и шумовую температуру приемника 3×105 К на частоте 1,5 ГГц в случае его работы в режиме смесителя. Показано, что для оптимизации режима работы смесителя необходима значительно большая мощность гетеродина, чем используемая в настоящей работе. Оптимизация режимов измерения может привести к повышению эффективности преобразования и, соответственно, снижению шумовой температуры смесителя в 30–100 раз, что сделает такие приемники привлекательной альтернативой широко используемым сейчас диодам с барьером Шоттки.
Таким образом, основной результат данной работы можно сформулировать как создание и исследование широкополосного приемника излучения терагерцового диапазона с высокоэффективной антенной на основе высокотемпературного сверхпроводящего болометра на горячих электронах.
Список публикаций по материалам диссертации
1. А.В.Варлашкин, А.Л.Васильев, А.И.Головашкин, О.М.Иваненко, Н.А.Киселёв, Л.С.Кузьмин, К.КЛихарев, К.В.Мицен, Г.В.Романчикова, Е.С.Солдатов. Микроскопическая структура и контактные свойства высокотемпературной сверхпроводящей керамики Y-Ba-Cu-O. Письма в ЖЭТФ, Приложение к т.46, с.59-62 (1987).
[A.V.Varlashkin, A.L.Vasil’ev, A.I.Golovashkin, O.M.Ivanenko, N.A.Kiselev, L.S.Kuz’min, K.K.Likharev, K.V.Mitsen, G.V.Romanchikova, E.S.Soldatov. Microscopic structure and contact properties of high-temperature superconducting ceramic Y-Ba-Cu-O samples. JETP Letters, v.46-Supplement, pp. S52-55 (1987)].
2. Е.В.Печень, А.В.Варлашкин, А.И.Головашкин, Е.В.Екимов, С.И.Красносвободцев, Б.К.Плешко, Н.П.Шабанова. Высокотемпературные металлооксидные сверхпроводящие пленки на основе редкоземельных элементов и висмута. Труды 1-го Всесоюзного совещания «Физикохимия и технология высокотемпературных сверхпроводящих материалов», (Москва,13-15 сентября 1988), М.: Наука, 1989, с. 350-351.
3. M.M.Bonch-Osmolovsky, A.V.Varlashkin, Y.A.Vinogradov, T.I.Galkina, A.I.Golovashkin, E.V.Ekimov, E.V.Pechen, V.V.Rodin, M.V.Sidorov, N.F.Starodubtsev The Response of YBCO-Based Epitaxial Films To UVLaser Pulses. Weak Superconductivity, ed. S.Benacka and M.Kredo (Proc. 5th Czechoslovak Symposium On Weak Superconductivity, Smolenice, CzSSR, 1989, May 29 June 2), N.Y. 1990, pp. 23-25.
4. М.М.Бонч-Осмоловский, А.В.Варлашкин, Е.А.Виноградов, Т.И.Галкина, А.И.Головашкин, Е.В.Екимов, Е.В.Печень, В.В.Родин, Н.Ф.Стародубцев. Наносекундный отклик эпитаксиальных структур на основе YBaCuO при возбуждении импульсом УФ лазера. Физика электронных структур на основе ВТСП (Материалы 1 Всесоюзного семинара «Сверхматрица», Москва, 4-6 мая 1989), М.: МАТИ, 1989, с. 149-150.
5. М.М.Бонч-Осмоловский, А.В.Варлашкин, Е.А.Виноградов, Т.И.Галкина, А.И.Головашкин, Е.В.Екимов, Е.В.Печень, В.В.Родин, Н.Ф.Стародубцев. Отклик эпитаксиальных структур на основе YBCO на облучение импульсом УФ лазера. Сверхпроводимость: физика, химия, техника, т.2(9), с. 49-55 (1989).
6. М.М.Бонч-Осмоловский, А.В.Варлашкин, Е.А.Виноградов, Т.И.Галкина, А.И.Головашкин, Е.В.Екимов, С.Р.Октябрьский, Е.В.Печень, В.В.Родин, М.В.Сидоров, Н. Ф.Стародубцев. Отклик эпитаксиальных структур на основе YBCO при возбуждении импульсом УФ лазера. Препринт ФИАН СССР №115, 13с. (1989).
7. E.V.Pechen, A.V.Varlashkin, S.I.Krasnosvobodtsev, B.Brunner, and K.F.Renk. Pulsed-laser deposition of smooth high-Tc superconducting films using a synchronous velocity filter. Appl.Phys.Lett., v.66(17), pp. 2292-2294 (1995).
8. Yu.Gousev, A.D.Semenov, E.V.Pechen, A.V.Varlashkin, R.S.Nebosis, and K.F.Renk. Coupling of teraherz radiation to a high-Tc superconducting hot-electron bolometer mixer. Appl.Phys.Lett., v.69(5), pp. 691-693 (1996).
9. Yu.Gousev, A.D.Semenov, R.S.Nebosis, E.V.Pechen, A.V.Varlashkin, and K.F.Renk. Broad-band coupling of THz radiation to an YBa2Cu3O7-d hotelectron bolometer mixer. Supercond.Sci.Technol., v.9(9), pp. 779-787 (1996).
10. E.V.Pechen, A.V.Varlashkin, S.I.Krasnosvobodtsev, and K.F.Renk. Velocity filtration of pulsed-laser evaporents for deposition of smooth high-Tc superconducting films. Czechoslovak Jour. of Physics, v.46, pp. 1509-1510 (1996) (Proc. 21st IC on Low Temp. Phys., Prague, August 8-14, 1996).
11. B.Herrmann, A.D.Semenov, R.F.Summer, R.S.Nebosis, H.-J.Regl, E.V.Pechen, A.V.Varlashkin and K.F.Renk. Non-Equilibrium Response of a Superconducting YBCO Thin Film to Sub-Nanosecond Thz Pulses. EUCAS’97, 5Ge-56.
12. Yu.Gousev, A.D.Semenov, I.G.Goghidze, E.V.Pechen, A.V.Varlashkin, G.N.Gol’tsman, E.M.Gershenzon, K.F.Renk. Current dependent noise in a YBa2Cu3O7- hot-electron bolometer. IEEE Trans.Appl.Supercond. v.7, pp. 3556-3559 (1997).
13. U.Spreitzer, S.Hauser, M.Fuchs, G.Calestani, A.Migliori, H.Barowski, T.Schauer, A.Varlashkin, N.Reschauer, T.Mayerhoefer and K.F.Renk. Preparation of Ba-Ca-Cu oxycarbonate superconducting thin films by pulsed laser deposition. Applied Superconductivity 1997, Proceedings of EUCAS’97, the Third European Conference on Applied Superconductivity, Netherlands, 30 June 3 July 1997, Edited by H.Rogalla and D.H.A.Blank, Institute of Physics Conference Series Number 158, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, pp. 193-196.
14. T.Schauer, L.Weber, J.Hafner, O.Kus, E.V.Pechen, A.V.Varlashkin, T.Kaiser and K.F.Renk. Preparation of smooth YBa2Cu3Oy and EuBa2Cu3Oy films by two-beam excimer-laser deposition. Supercond.Sci.Technol., v.11(3), pp. 270-272 (1998).
15. А.В.Варлашкин, Е.В.Печень. Опыт создания автоматизированного комплекса для измерения температурных зависимостей сопротивления и экранирующей способности сверхпроводников. Препринт ФИРАН №14, 28с. (1999).
16. G.Calestani, A.Migliori, U.Spreitzer, S.Hauser, M.Fuchs, H.Barowski, T.Schauer, W.Assmann, K.-J.Range, A.Varlashkin, O.Waldmann, P.Müller, and K.F.Renk. Ba-Ca-Cu oxycarbonate thin films, prepared by pulsed laser deposition: structure, growth mechanism and superconducting properties. Physica C, v.312(3-4), p. 225-232 (1999).
17. E.V.Pechen, A.V.Varlashkin and A.I.Golovashkin. On-axis YAG:Nd3+ laser deposition of smooth high-Tc YBa2Cu3O7- films. Physica B, v.284-288, p.1025-1026 (2000).