Российская Академия наук
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук
УДК 538.9
№ госрегистрации 01201170364
Инв.№ 4
«УТВЕРЖДАЮ»
Директор Института физики
микроструктур РАН
______________/З.Ф. Красильник/
"20" ноября 2012 г.
ОТЧЕТ
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
Шифр заявки «2011-1.5-508-004-001»
Государственный контракт от 29 апреля 2011 г. № 14.740.11.0889
по теме:
ГЕНЕРАТОРЫ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАССИВАХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ КОНТАКТОВ
(итоговый, этап № 4)
Наименование этапа: «Разработка квазиоптической схемы, проведение измерений, выполнение расчетов. Обобщение и оценка результатов исследований. Выработка рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИР в образовательном процессе»
Руководитель НИР, д.ф.-м.н.
|
_________________
подпись, дата
|
А.Д. Семенов
|
Нижний Новгород 2012
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Руководитель темы,
д.ф.-м.н., с.н.с
|
______________________
подпись, дата
|
А.Д. Семенов
(раздел 1)
|
Исполнители темы:
|
|
|
в.н.с., д.ф.-м.н.
|
_____________________
|
А.М. Клушин
(введение, раздел 1)
|
м.н.с., нормконтролер
|
_____________________
|
Е.Е. Пестов
(введение, раздел 1)
|
зав. отд., д.ф.-м.н.
|
_____________________
|
В.В. Курин
(раздел 1)
|
н.с., к.ф.-м.н.
|
_____________________
|
А.В. Чигинев
(раздел 1)
|
н.с., к.ф.-м.н.
|
_____________________
|
М.Ю. Левичев
(раздел 1)
|
с.н.с., к.ф.-м.н.
|
_____________________
|
А.Ю. Аладышкин
(раздел 1)
|
Студент 5 курса ННГУ
|
_____________________
|
А.В. Ромашкин
(раздел 1)
|
Аспирант 1 года ИФМ РАН
|
_____________________
|
А.В. Путилов
(раздел 1)
|
Студент 6 курса ННГУ
|
_____________________
|
Смирнов А.А.
(раздел 1)
|
м.н.с.
|
_____________________
|
С.В. Миронов
(раздел 1)
|
н.с., к.ф.-м.н.
|
_____________________
|
М.А. Силаев
(раздел 1)
|
н.с., к.ф.-м.н.
|
_____________________
|
Д.В. Мастеров
(раздел 1)
|
с.н.с., д.ф.-м.н.,
|
_____________________
|
А.Л. Панкратов
(раздел 1)
|
зам. дир., д.ф.-м.н.
|
_____________________
|
А.С. Мельников
(раздел 1)
|
Реферат
Отчет 150 c., 3 ч., 6 прил., 10 рис., 2 табл., 4 источника.
ГЕНЕРАТОРЫ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАССИВАХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ КОНТАКТОВ
Ключевые слова: джозефсоновский контакт, генерация, терагерцы, болометр на горячих электронах, низкоразмерные системы
В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 4 этапу Государственного контракта № 14.740.11.0889 "Генераторы терагерцового излучения на массивах джозефсоновских контактов" от 23 марта 2011 в рамках федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.
Цель работы — Цель настоящей работы состоит в использовании опыта и навыков А.Д. Семенова, известного специалиста в исследовании излучения терагерцового диапазона волн и, в частности, сверхпроводниковых болометров на холодных и горячих электронах, для развития данного научного направления в ИФМ РАН. Для этого предполагается проведение исследований терагерцового излучения массивов джозефсоновских контактов и создание макета приемника на основе болометра на горячих электронах под руководством А. Д. Семенова и при его непосредственном участии.
На четвертом этапе проекта нами был создан интегрированный гетеродинный приемник, использующего осциллятор на джозефсоновских контактах в качестве гетеродина и сверхпроводящий смеситель на базе болометра на горячих электронах. В схеме терагерцового приёмника с гетеродином в виде массива джозефсоновских контактов и со смесителем на базе болометра на горячих электронах зарегистрирован сигнал на выходе болометра при подаче на вход терагерцового сигнала. Удалось понизить перегрев джозефсоновских контактов за счёт применения импульсного режима тока смещения. Внедрена программа результатов НИР в образовательный процесс.
По результатам исследований подготовлен итоговый научно-технический отчет по IV этапу, а также были опубликованы 3 статьи в высокорейтинговом журнале и сделано 3 доклада на международных конференциях, проведен 1 семинар руководителем проекта А. Д. Семеновым по теме работы. Добавлена глава, посвященная физике джозефсоновских структур, в курс лекций «Туннельные явления в твердотельных структурах», читаемый на кафедре Нижегородского университета им. Лобачевского.
Содержание
Введение……………………………………………………………………………………
|
8
|
1. Принципы создания интегрированного гетеродинного приемника, использующего осциллятор на джозефсоновских контактах в качестве гетеродина и сверхпроводящий смеситель на базе болометра на горячих электронах
1.1 Введение
1.2 Реализация импульсного режима в измерениях вольтамперных характеристик джозефсоновских контактов
1.3 Диаграмма направленности массива джозефсоновских контактов
1.4 Спектральная мощность излучения массива джозефсоновских контактов
1.5 Квазиоптическая схема передачи джозефсоновского излучения на вход болометрического смесителя в прототипе терагерцового приёмника
|
9
9
9
12
16
17
|
Подготовка заключительного отчета ПНИР
2.1 Введение
2.2 Полученные основные результаты проекта
2.3 Оценка области применения результатов проекта
2.4 Достижения молодых исследователей – участников Проекта и опыт закрепления молодых исследователей – участников Проекта в области науки, образования и высоких технологий
2.5 Дальнейшие перспективы развития исследований
2.6 Оценка вклада приглашенного руководителя в проект
|
21
21
21
23
24
24
25
|
3. Программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
|
27
|
Заключение
|
29
|
Список использованных иисточников
|
30
|
Приложение А. Список семинаров, проведенных приглашенным исследователем Приложение Б. Список публикаций результатов деятельности в высокорейтинговых журналах и тезисах конференций
Приложение В. Копия паспорта А.Д. Семенова
Приложение Г. Материалы семинаров А.Д. Семенова
Приложение Д. Выписка из отдела кадров о переводе аспиранта Миронова С.В. на должность м.н.с
Приложение Е. Программа курса «Туннельные явления в твердотельных структурах», Аладышкин А.Ю. (Нижегородский университет им. Лобачевского)
|
31
32
50
52
71
72
|
Обозначения и сокращения
нм – нанометр
мкм - микрометр
СП – сверхпроводящий
ТГц - терагерц
СВЧ – сверхвысокие частоты
ВАХ – вольт-амперная характеристика
ВТСП – высокотемпературный сверхпроводник
В тексте отчета все физические величины приведены в системе единиц СИ.
Введение
В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 4 этапу Государственного контракта № 14.740.11.0889 "Генераторы терагерцового излучения на массивах джозефсоновских контактов" от 23 марта 2011 в рамках федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.
Цель работы — Цель настоящей работы состоит в использовании опыта и навыков А.Д. Семенова, известного специалиста в исследовании излучения терагерцового диапазона волн и, в частности, сверхпроводниковых болометров на холодных и горячих электронах, для развития данного научного направления в ИФМ РАН. Для этого предполагается проведение исследований терагерцового излучения массивов джозефсоновских контактов и создание макета приемника на основе болометра на горячих электронах под руководством А. Д. Семенова и при его непосредственном участии.
На четвертом этапе проекта нами был создан интегрированный гетеродинный приемник, использующего осциллятор на джозефсоновских контактах в качестве гетеродина и сверхпроводящий смеситель на базе болометра на горячих электронах. В схеме терагерцового приёмника с гетеродином в виде массива джозефсоновских контактов и со смесителем на базе болометра на горячих электронах зарегистрирован сигнал на выходе болометра при подаче на вход терагерцового сигнала. Удалось понизить перегрев джозефсоновских контактов за счёт применения импульсного режима тока смещения.
Результаты исследований проекта внедрены в образовательный процесс, а также подготовлен итоговый научно-технический отчет проекта.
1. Принципы создания интегрированного гетеродинного приемника, использующего осциллятор на джозефсоновских контактах в качестве гетеродина и сверхпроводящий смеситель на базе болометра на горячих электронах
1.1. Введение
В настоящем отчёте представлены результаты исследования массивов ниобиевых джозефсоновских контактов. Получены вольтамперные характеристики (ВАХ) контактов в режиме импульсного тока смещения; изучена диаграмма направленности излучения, генерируемого контактами на кремниевой линзе; записан спектр излучения контактов. Построена схема гетеродинного приёмника, в котором джозефсоновские контакты используются в качестве гетеродина, а болометр на горячих электронах – в качестве смесителя. Для смешения внешнего сигнала и излучения гетеродина для данного приёмника был адаптирован интерферометр Мартина-Паплетта.
1.2 Реализация импульсного режима в измерениях вольтамперных характеристик джозефсоновских контактов
Полный ток смещения I, протекающий через джозефсоновский контакт, является суммой резистивного тока IR, емкостного тока IC и тока флуктуаций If. Однако часто к полному току добавляют также так называемый тепловой ток IT, который символизирует перегрев контакта, тогда I = IR + IC + If + IT. С увеличением I растёт выделяемое в нём количество теплоты (закон Джоуля-Ленца), следовательно, повышается локальная температура T и падает напряжение U на контакте. В результате наблюдается загиб ВАХ в области высоких U. Степень перегрева оценивают по величине отклонения ВАХ от линии U = IRc, где Rc – характерное сопротивление контакта. Количественно перегрев можно оценить через разность ΔR=Rc–Rd, где Rd – дифференциальное сопротивление контакта в области высоких U.
Очевидно, что перегрев можно ослабить, если на контакт подавать импульсы тока длительностью меньше характерного времени установления температуры в контакте. Для снятия ВАХ цепочек джозефсоновских контактов в импульсном режиме мы использовали приборы фирмы Keithley Instruments (Огайо, США): источник тока 6221 AC and DC Current Source и вольтметр 2182A Nanovoltmeter. Синхронизация двух приборов осуществляется посредством триггерной связи (Trigger Link). При работе источника в импульсном режиме вольтметр регистрирует напряжение в измеряемой цепи только в момент генерации импульса тока (можно варьировать задержку перед началом измерения напряжения). Один цикл импульсной развёртки тока реализуется в режиме pulse sweep (рис. 1). Мы задавали начальное и конечное значения амплитуды импульсов Istart = 0, Iend = 8 мА и постоянное приращение ΔI = 16 мкА.
|
Рисунок 1 – Ток на выходе источника тока Keithley Model 6221 в режиме pulse sweep с постоянным шагом приращения амплитуды импульса; Istart – начальная амплитуда, Iend – конечная амплитуда, I – приращение амплитуды, tp – период следования импульсов, tw – длительность импульса.
|
Измерения ВАХ проводились на образце, содержащем 6972 джозефсоновских контакта Nb–NbxSi1–x–Nb со степенью легирования кремния x≈0.1. Топология массива контактов изображена на рис.2. Контакты распределены по 7 группам, каждая из которых содержит 3 цепочки по 332 контакта. Длина цепочек 5 мм, расстояние между группами 833 мкм, ширина одной цепочки 15 мкм, ширина группы около 50 мкм. Массив располагается на подложке из кремния с удельным сопротивлением при комнатной температуре ρ=10 Ом·см. Размер чипа 10×10 мм, а его толщина 0.38 мм. Критический ток Ic отдельного перехода около 2 мА при T=4.2 К.
|
Рисунок 2 – Топология массива джозефсоновских контактов (пунктирные линии) на кремниевом чипе.
|
На рис. 3 изображена серия ВАХ данного образца, измеренных в гелиевом дьюаре на всех 7×3=21 цепочках при различных режимах тока смещения. Располагая образец на различной высоте над уровнем гелия, мы могли менять температуру, которая измерялась калиброванным полупроводниковым датчиком, расположенным вблизи чипа. Видно, что в режиме постоянного тока перегрев максимален – ВАХ имеет наибольший загиб при высоких напряжениях. В режиме импульсного тока перегрев значительно снижается, причём загиб тем меньше, чем меньше длительность импульса tw. Однако разница в ВАХ наблюдалась при более высоких температурах, что видно из сравнения рис. 3а и 3б. Это можно объяснить лучшим отводом тепла в области вблизи поверхности гелия, где имеется высокая концентрация его паров.
|
|
Рисунок 3 – Вольтамперные характеристики массива джозефсоновских контактов, измеренные при (а) T=4.6 К, (б) T=6 К в режиме постоянного (1) и импульсного (2), (3), (4) тока смещения с длительностью импульсов tw соответственно 12 мс, 1 мс, 50 мкс. Периодичность импульсов tp=100 мс.
|
Таблица 1 демонстрирует обратную зависимость между tw и значением Rd на один контакт для ВАХ на рис. 3б. Видно, что преимущество импульсного режима с наименьшей длительностью импульса tw=50 мкс, реализуемой источником Keithley 6221, над непрерывным режимом состоит в увеличении Rd более чем в два раза. Однако даже в этом случае не удаётся полностью избавиться от загиба ВАХ. Для получения более коротких импульсов планируется приспособить к работе строб-интегратор (бокскар).
Таким образом, из полученных результатов следует, что степень перегрева образца с джозефсоновскими контактами определяется эффективностью отвода тепла от подложки во внешнюю среду.
Таблица 1 – Дифференциальное сопротивление одного контакта Rd на высоких U для ВАХ, изображённых на рис. 3б, при различной длительности импульса tw. Значение tw=∞ соответствует режиму постоянного тока смещения.
tw, мс
|
∞
|
12
|
1
|
0.05
|
Rd, мОм
|
27
|
42
|
53
|
58
|
|
