WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1998, том 68, № 10 05;06 Неравновесные индуктивные быстродействующие детекторы на основе тонких сверхпроводниковых пленок © И.Г. Гогидзе, П.Б. Куминов, А.В. Сергеев, А.И. Елантьев, Е.М. Меньщиков, Е.М. Гершензон Московский педагогический государственный университет, 119435 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 8 сентября 1997 г.) Предлагается новый тип быстродействующего детектора, работа которого основана на изменении кинетической индуктивности сверхпроводниковых NbN и Yba2Cu3O7- пленок за счет неравновесных квазичастиц, созданных электромагнитным излучением. Быстродействие NbN детектора практически не зависит от температуры и составляет менее 1 s. Модель, основанная на схеме Оуэна–Скалапино, хорошо описывает экспериментальную зависимость вольт-ваттной чувствительности NbN детектора от частоты модуляции излучения. Малая концентрация равновесных квазичастиц и высокий квантовый выход приводят к величине обнаружительной способности D = 1012 W-1 · cm · Hz1/2 при температуре T = 4.2K и D = 1016 W-1 · cm · Hz1/2 при T = 1.6 K. Постоянная времени низкотемпературного индуктивного YBaCuO d детектора определяется только временем электрон-фононного взаимодействия в нодальных областях e-ph.

Введение этого, форма фотоотклика сильно зависит от соотношения времен электрон-фононного взаимодействия e-ph Исследование и создание быстродействующих уст- и фонон-электронного рассеяния ph-e. При гелиевых ройств, основанных на использовании неравновесных температурах e-ph длиннее ph-e. В этом случае, если процессов как в традиционных, так и в высокотемпера- es ph-e, то реализуется чисто неравновесный отклик турных сверхпроводниках (ВТСП), является одним из с характерным временем спада e-ph, а при es ph-e важных направлений современной сверхпроводниковой отклик исключительно болометрический с соответствуэлектроники. Пикосекундные резистивные детекторы из ющим временем спада es. Для тонких пленок традицинизкотемпературных тонких сверхпроводниковых пле- онных сверхпроводников с высокой критической темпенок с высокой чувствительностью работают подобно бо- ратурой соотношение между e-ph и ph-e меняется при лометрам в диапазоне от коротких миллиметровых волн T = 5-10 K и при более высоких температурах отклик до видимого света [1,2]. Аналогичные ВТСП детекторы становится многокомпонентным.

могут быть еще на порядок более быстродействующими, В настоящее время разработка неравновесных резино менее чувствительными [3,4].

стивных ВТСП устройств встретила принципиальные Резистивные детекторы, использующие в качестве ра- трудности. Препятствием, как оказалось, является больбочего элемента тонкие пленки обычных сверхпровод- шое тепловое сопротивление на границе пленки и подников с малой длиной свободного пробега электронов, ложки для всех подложек, пригодных для выращивания хорошо описываются неравновесной двухтемпературной качественных пленок. Из-за этого теплоотвод от пленки разогревной моделью [5]. Эта модель также объясня- недостаточен даже для ультратонких пленок, что не дает ет основные формы фотоотклика ВТСП, в частности, возможности избавиться от болометрической составлядвухкомпонентный спад фотоотклика имеет в ВТСП ту ющей отклика детектора.

же природу, что и в традиционных сверхпроводниках с Решение проблемы надо искать не в резистивном высокой температурой сверхпроводящего перехода [6,7]. состоянии пленки, а в сверхпроводящем, т. е. не в изВ сверхпроводниковых тонких пленках иерархия ха- менении сопротивления чувствительного элемента, а в рактерных времен релаксации определяется функциями изменении кинетической индуктивности. В этом случае распределения неравновесных квазичастиц и фононов не только не выделяется тепло при протекании тока под воздействием излучения, т. е. как квазичастицы и смещения, но и главное, низкотемпературная реалифононы откликаются на короткий лазерный импульс [8]. зация неравновесного отклика в сверхпроводниках с Механизм отклика определяется соотношением времен s-спариванием приводит к изменению постоянной времерелаксационных процессов, за которые ответственны ни детектора D в пользу малых времен, а в сверхпроводфононы. При низких температурах время ухода фононов никах с нодальными областями, т. е. с d-спариванием, меиз тонкой пленки в подложку es короче, чем вре- няет иерархию времен релаксации и делает возможным мя фонон-электронного рассеяния ph-e, что является осуществление фононного термостата, т. е. устранение одним из необходимых условий возникновения чисто болометрического эффекта.

неравновесного отклика [9]. Соотношение между es Из работ по кинетической индуктивности в традиции ph-e изменяется с ростом рабочей температуры в онных сверхпроводниках следует выделить [10–14], где диапазоне от гелиевых до азотных температур. Кроме впервые сделаны попытки использовать индуктивность 64 И.Г. Гогидзе, П.Б. Куминов, А.В. Сергеев, А.И. Елантьев, Е.М. Меньщиков, Е.М. Гершензон в прикладных целях: радиометры, малошумящие уси- Блок-схема экспериментальной установки для излители на СКВИД и т. д. Авторы отмечали, что, по их мерения частотной зависимости сигнала при воздеймнению, вблизи критической температуры Tc тепловая ствии на сверхпроводниковый образец амплитудносвязь неравновесных квазичастиц и решетки очень хо- модулированного электромагнитного излучения ближнерошая и пленка нагревается целиком, т. е. индуктивный го инфракрасного спектрального диапазона, представлеотклик имеет чисто болометрический характер. Значи- на на рис. 1. Источником излучения служил лазерный тельно ниже Tc ситуация меняется: электромагнитное диод RLD-78M20 длиной волны = 788 nm, подклюизлучение увеличивает температуру только квазичастиц, ченный через высокочастотный адаптер к блоку питания.

не затрагивая решетки, и отклик может быть объяснен При токе смещения I = 65 mA лазер имел максимальную только неравновесной сверхпроводимостью. мощность излучения P = 10 mW. Модулируемое генератором синусоидальных сигналов лазерное излучение В последнее время у большинства исследовательских заводилось в волоконно-оптический кабель 50 µmтипа групп, изучающих индуктивный отклик ВТСП пленок G1-50/125-AXAI с помощью короткофокусного объектисложилось мнение о существовании в сверхпроводящем состоянии только неравновесного отклика. Для объяс- ва. Другой такой же кабель подводил излучение к иссленения механизма такого отклика привлекается давно дуемому образцу. Соединение кабелей осуществлялось разработанная для глубокого сверхпроводящего состо- через оптический переходник, что позволяло измерять яния (T ) пленок традиционных сверхпроводников подводимую к образцу мощность излучения при помощи теория [15], которая в принципе не приемлема для ВТСП измерителя мощности RIFOCS-555B. Делительная пламатериалов [16]. стинка после фокусирующей системы ответвляла часть излучения на лавинный фотодиод ЛФДГ-70 с полосой Исследования релаксационных процессов в тонких измерительных частот до 6 GHz, контролирующий АЧХ пленках сверхпроводников имеют большое общенаучное лазерного диода. Исследуемый образец размещался на значение и крайне важны для проектирования не только конце держателя, помещенного в гелиевый сосуд Дьюаиндуктивных детекторов, но и других работающих в ра. Сигнал от образца по гибкой копланарной и жесткой неравновесных условиях элементов сверхпроводниковой коаксиальной линиям подавался на вход регистрируюэлектроники, таких как приборы на основе туннельной щей аппаратуры, которая состояла из адаптера питаинжекции, сверхпроводниковые транзисторы и др.

ния образца, усилителя и анализаторов спектра СК4-59, Целью представленной работы являются изучение индуктивного фотоотклика тонких NbN и YBa2Cu3O7- СК4-60 или фазочувствительного прибора EGG-5202.

Последний использовался, когда возникала задача измепленок в сверхпроводящем состоянии T и опререния сигналов очень малой мощности Ps -150 dBm деление основных характеристик неравновесных индукв полосе регистрируемых частот f = 1-50 MHz.

тивных детекторов.

Измерения времен релаксации отклика тонких сверхпроводниковых пленок модуляционным методом являОбразцы, методика и техника ются более прецизионными, чем импульсными. Детектирование сигнала происходит в узкой полосе частот эксперимента регистрации, которая зависит от стабильности генератоВ качестве объектов исследования были выбраны тон- ра модуляции мощности лазера и минимальной входной полосы анализатора спектра (или другого прибора). В кие пленки YBa2Cu3O7- и нитрида ниобия NbN. Среди режиме синхронного детектирования регистрировались ВТСП материалов YBaCuO пленки наиболее известны:

сигналы мощностью 50 · 10-18 W, тогда как импульсимеется высокий уровень технологии изготовления, в процессе многолетних исследований накоплены относи- ная методика позволяла измерять сигналы с пиковой мощностью только 50 · 10-9 W [18].

тельно большие знания основных физических свойств.

Наши образцы на подложках LaAlO3 формировались Времена регистрации импеданса исследуемых образиз пленок толщиной 50 nm и критической температу- цов определялись из амплитудно-частотных характерирой 88 K в структуры в виде одиночного мостика или стик. Так как времена релаксации отклика изменяются 3 параллельных полосок общей площадью 10 10 µm. в общем случае по экспоненциальному закону, то чаЧто касается пленок NbN, то для экспериментальных стотная характеристика напряжения сигнала на единиисследований необходимы были пленки с высокой кри- цу интенсивности подобна характеристике пропускания тической температурой и толщиной несколько десятков фильтра низких частот ангстрем. Наша технологическая группа справилась с 2f этой задачей, и в результате были получены пленки U( f ) =U0, (1) NbN на сапфировой подложке толщиной менее 10 nm с 1 +(2f )управляемой величиной Tc и с ее воспроизводимостью лучше 0.5 K в диапазоне температур 4.5-14.7K [17]. где U( f ) — уровень сигнала на частоте f ; U0 — Образцы NbN имели структуру меандра (ширина полос- уровень сигнала на нулевой частоте; — характерное ки w = 1.5 µm), которая заполняла площадь 54 72 µm. время, называемое также постоянной времени детектора.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Неравновесные индуктивные быстродействующие детекторы... Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 — генератор Г4-151 (1–500 Mz); 2 — генератор Я2Р-74 (0.01–2 GHz);

3, 14 —адаптер; 4, 15 — блок питания; 5 — лазерный диод RLD-78 M20; 6 — фокусирующая система; 7 — лавинный фотодиод ЛФДГ-70; 8 — к анализатору спектра; 9 — делительная пластинка; 10 — волоконно-оптический кабель 50 µm; 11 — измеритель мощности излученяи; 12 — анализатор спектра СКА-59 (0.01–110 MHz); 13 — анализатор спектра СКА-60 (0.01–12 GHz);

16 — жидкий гелий, 17 —образец; 18 — транспортный дьюар.

Экспериментальные результаты на рис. 2 стрелками. При неизменной величине приведенной температуры T /Tc значения пропорциональны и обсуждение толщине пленки. Для каждого образца в области низких температур экспоненциально зависит от температуры.

а) Н е р а в н о в е с н ы й и н д у к т и в н ы й Величина сигнала на плато частотной зависимости слаN b N д е т е к т о р. В этой части настоящей работы предложен сверхпроводниковый неравновесный детек- бо, как T-1/2, растет с понижением температуры.

тор, работающий за счет изменения кинетической индук- Приведенные экспериментальные результаты можно тивности сверхпроводящего конденсата под действием объяснить в рамках следующей модели, основанной на излучения. Отметим, что в предположенном ранее инер- схеме Оуэна–Скалапино [20]. При поглощении света ционном болометре [13,19] используется температурная с энергией кванта h большей щели () происходит зависимость кинетической индуктивности вблизи Tc. Мы разрыв куперовских пар с образованием квазичастиц, исследуем быстродействующий детектор на основе не- что вызывает изменение кинетической индуктивности равновесного отклика тонких пленок при температуре, пленки L и, следовательно, приводит к возникновению существенно меньшей Tc. Постоянная времени такого напряжения равного IdL/dt. Скорость изменения индукдетектора D определяется временем развития электрон- тивности определяется частотой модуляции излучения ной лавины, которое гораздо короче e-ph. Кроме того, и процессами релаксации в пленке. Сначала фотовозобнаружительная способность этого детектора оказыва- бужденные квазичастицы теряют энергию, излучая фоется значительно выше, чем у резистивных электронных ноны с энергией больше 2, которые в свою очередь болометров с сопоставимыми значениями D. разрушают куперовские пары и создают новые квазичаНа рис. 2 представлены зависимости напряжения сиг- стицы. При энергии квазичастицы меньше 3 дальнейнала от частоты модуляции f для двух образцов при шее размножение квазичастиц становится невозможным.

различных температурах. Амплитуда сигнала хорошо ап- Далее неравновесные квазичастицы остывают, излучая проксимируется зависимостью 1. Значения выделены низкоэнергетичные фононы, и скапливаются на уровне с 5 Журнал технической физики, 1998, том 68, № 66 И.Г. Гогидзе, П.Б. Куминов, А.В. Сергеев, А.И. Елантьев, Е.М. Меньщиков, Е.М. Гершензон Для оценки времени рекомбинации мы измерили время ухода неравновесных фононов из тонкой пленки NbN толщиной 5 nm и получили es = 50 ps (рис. 3, b).

Поскольку время электрон-фононного взаимодействия практически не зависит от толщины пленки, то для его определения мы использовали пленки толщиной 20 nm с Tc = 6.5 K. Понижение рабочей температуры увеличило время электрон-фононного взаимодействия, что позволило непосредственно измерить его значение в полосе частот нашей аппаратуры (рис. 3, a). С учетом -1.температурной зависимости e-ph T [21] для пленки толщиной 5 nm с Tc = 12.4K e-ph(Tc) =10 ps, что дает при температуре T = 4.2K R = 50 ps. Время B не зависит от температуры и может быть оценено из соотношения us h B =, (5) uF что дает значение B = 2 ps. Таким образом, es/B 20, что указывает на сильное перепоглощение неравновесных высокоэнергетичных фононов квазичастицами. ВреРис. 2. Зависимость индуктивного сигнала U от частоты мя жизни квазичастиц, рассчитанное по формуле (2) с модуляции для NbN пленок толщиной в 5 (a) и 10 nm (b):

учетом значения R (формула (4)), хорошо совпадает T /Tc: 1 — 0.34, 2 — 0.39, 3 — 0.29, 4 — 0.34, 5 —0.4, 6 — 0.45. с экспериментальными значениями, приведенными на рис. 2. Отметим, что сильное перепоглощение фононов положительно сказывается на характеристиках детектора, так как в этом случае в результате электронной энергией. На этом этапе, который занимает не более лавины достигается максимальный коэффициент размно1 ps, развитие электронной лавины заканчивается и дальжения квазичастиц K = h/2.

нейшая, относительно медленная эволюция приводит к Перейдем к обсуждению параметров индуктивного неуменьшению концентрации неравновесных квазичастиц.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.