Детекторные характеристики YBa2Cu3O7-x бикристаллических джозефсоновских переходов с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

правах рукописи

Лятти Матвей Валерьевич

«Детекторные характеристики УВа2Си307.х бикристаллических джозефсоновских переходов с взаимноиаклонеиными осями [001] в терагерцовой области частот»

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: 01.04.01 -

Приборы и методы экспериментальной физики.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Москва 2006 г.

003067090

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН, а также в Исследовательском центре г. Юлиха (Германия), в рамках соглашения о научном сотрудничестве.

Научные руководители:

профессор К. Урбан,

кандидат физико-математических наук Ю.Я. Дивин. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.Ф. Лукичев доктор физико-математических наук Г. А. Овсянников

Ведущая организация:

НИИЯФ МГУ, г. Москва

Защита состоится «26» января 2007 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д002.231.03 в Институте радиотехники и электроники РАН (101999, г. Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д. 11, корп. 7)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института радиотехники и электроники РАН

Автореферат разослан «21» декабря 2006 г. Учёный секретарь

диссертационного совета

к.ф.-м.н. М.И. Перцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. В последнее время, в связи с повысившимся интересом к применению терагерцовых технологий в сфере медицины, биологии и безопасности, разработаны новые типы источников терагерцового излучения, такие как квантовые каскадные лазеры, широкополосные источники, использующие релятивистские электроны, широкополосные источники, работающие на эффекте фотопроводимости или электрооптических эффектах при накачке фемтосекундными лазерными импульсами [1-3]. Отличительной чертой новых терагерцовых источников является нестационарность происходящих в них физических процессов и, как следствие этого, импульсный характер их выходного излучения. Импульсный характер излучения предъявляет определенные требования на спектроскопические методики, использующиеся для спектрального анализа данных источников терагерцового излучения. В первую очередь это малое время отклика, большой динамический диапазон по мощности и высокая скорость сканирования спектра.

По сравнению с традиционными спектроскопическими методами, используемыми в данной области частот [4,5], Гильберт-спектроскопия (ГС) [6], основанная на эффекте взаимодействия джозефсоновской генерации с внешним излучением, позволяет осуществлять быстрый спектральный анализ как непрерывных, так и импульсных терагерцовых источников с произвольным спектром излучения. В рамках резистивной модели (РМ) [7] джозефсоновского перехода (ДП) частотно-селективный отклик тока ДП связан со спектром внешнего излучения преобразованием Гильберта. Таким образом, спектр произвольного внешнего излучения может быть восстановлен из зависимости отклика ДП на это излучение при помощи обратного преобразования Гильберта [6]. Из-за использования преобразования Гильберта данная методика и получила название ГС, а детектор, использующий частотно-селективный режим работы ДП, получил название частотно-селективный джозеф-соновский детектор.

Приближение РМ обычно выполняется в ДП при напряжениях V « 2Д/е, где 2Д - величина энергетической щели в спектре возбуждений сверхпроводника. Так как напряжение на ДП связано с частотой джозефсоновской генерации £ соотношением V = /г^ /2е, то, очевидно, что для осуществления ГС в терагерцовом диапазоне частот необходимы ДП из сверхпроводников с величиной энергетической щели порядка нескольких десятков миллиэлектронвольт. На данный момент такими сверхпроводниками являются высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на основе купратов. Среди ДП из ВТСП наилучшим согласием с РМ, а также самыми высокими значениями характерного напряжения УС=1СЯ„, где /с и /?„- критический ток и сопротивление ДП в нормальном состоянии, соответственно, обладают бикристал-лические переходы (БП). Наибольшее распространение получили БП с вертикальными осями [001] (БПВ), которые получаются при напьшении пленки из ВТСП с

вертикальной осью [001] на бикристаллическую подложку [8]. Значения Vc данного типа переходов достигает 0,2-0,3 мВ при Т = 77 К и 2-3 мВ при Т = 4,2 К. Однако при температурах ниже 40 - 50 К характеристики БПВ существенно отклоняются от РМ. Минимум эквивалентной шумовой мощности NEP частотно-селективного джо-зефсоновского детектора находится при напряжении 0,9 Vc. Следовательно, при температуре кипения жидкого азота минимум NEP частотно-селективного детектора на основе БПВ будет лежать в области частот 90 - 130 ГГц [9].

Недавно были получены БП из ВТСП с наклонными осями [001] (БПН) с рекордными значениями характерного напряжения до 8 мВ при Т = 4,2 К [10,11]. Согласно оценкам, основанным на РМ, минимум NEP частотно-селективного джозеф-соновского детектора на основе БПН должен лежать в диапазоне 400 - 500 ГГц даже при температуре кипения жидкого азота, что делает их перспективными для применения в терагерцовой области частот. Также было показано, что с геометрической точки зрения бикристаллическая граница в БПН обладает на порядок большей пространственной однородностью, чем в БПВ, в которых из-за островкового роста пленки с вертикальной осью [001] бикристаллическая граница состоит из отдельных фасеток с разной разориентацией [10,11]. Неоднородность бикристаллической границы сильно затрудняет теоретическое описание транспортных характеристик БПВ. БПН лишены этого недостатка, поэтому исследование электрических и шумовых характеристик данного типа переходов может пролить свет на механизмы транспорта тока в БП из ВТСП.

Вышесказанное обуславливает актуальность данной диссертационной работы, посвященной исследованию детекторных характеристик YBa2Cu307.x бикристалли-ческих джозефсоновских переходов с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот.

Целью настоящей работы являлось исследование электрических, низкочастотных (НЧ) шумовых и детекторных характеристик в терагерцовой области частот YBa2Cu307.x БП с взаимнонаклоненными осями [001], а также исследование возможности использования таких БП для Гильберт-спектроскопии в терагерцовой области частот.

На защиту выносятся оригинальные результаты, составляющие научную новизну и практическую ценность данной работы.

Научная новизна работы и представленных в ней результатов: 1. Впервые получены УВагСизОу.* бикристаллические джозефсоновские переходы с наклонными осями [001], у которых вольт-амперные характеристики в диапазоне температур 55 - 75 К с точностью до долей процента согласуются с аналогичными характеристиками из РМ, что существенно упрощает анализ работы детекторов и спектрометров на основе данных переходов.

2. Впервые для переходов из ВТСП экспериментально продемонстрированы полная корреляция флуктуаций критического тока SIC и нормального сопротивления SRn, а также равенство их нормированных спектральных плотностей. Сделан вывод о том, что механизмом переноса сверхтока и тока квазичастиц в БП с наклонными осями [001] является прямое туннелирование через одни и те же места барьера.

3. Впервые экспериментально исследовано детектирование электромагнитного излучения YBa2Cu307.x БП с наклонными осями [001]. На частоте 0,7 ТГц в частотно-селективном режиме достигнуты значения вольт-ваттной чувствительности, эквивалентной шумовой мощности NEP и динамического диапазона по мощности, равные (7±2)-104 В/Вт, (2,6±0,8)-10"13 Вт/Гц"2 и 47±3 дБ, соответственно. Показано, что достигнутые величины вольт-ваттной чувствительности согласуются с аналогичными значениями, следующими из РМ с учетом тепловых флуктуаций. Практическая ценность работы:

1. Разработана технология низкотемпературного отжига YBa2Cu307.x БП с наклонными осями [001] в атмосфере озона, активированного ультрафиолетовым излучением, которая позволяет повышать проводимость переходов, снижать НЧ шумы и улучшать согласии их ВАХ с РМ без ухудшения характерного напряжения.

2. Разработаны экспериментальные установки для исследования электрических, НЧ шумовых и детекторных характеристик тонкопленочных БП в интервале температур 7 - 90 К при напряжениях смещения на переходе до 20 мВ. Входные шумы напряжения криогенного усилителя установки для исследования шумовых характеристик составляли 2,3-10"10 В/Гц1/2, коэффициент нелинейных искажений был меньше 10"4 при напряжениях на переходе до 10 мВ, а частотная полоса усилителя равнялась 0-180 кГц. Экспериментальная установка для исследования детекторных характеристик позволяла исследовать характеристики переходов в частотном диапазоне 0,5 - 5 ТГц и в диапазоне мощностей, изменяемом на 45 дБ.

3. На основании численных расчетов предложен критерий верхнего предела динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора и продемонстрировано его соответствие полученным экспериментальным данным. Согласно этому критерию величина динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора на основе YBa2Cu307_x БПН с сопротивлением 1 Ом может достигать 62 дБ в терагерцовой области частот, если шумы перехода обусловлены тепловыми флуктуациями.

4. Впервые продемонстрирована возможность использования БПН, охлажденных до азотных температур, для терагерцовой ГС. Показано, что с помощью исследовавшихся переходов возможно измерение полихроматических спектров излучения газового лазера в области частот до 3 ТГц за время 2 сек. Достоверность результатов: Достоверность результатов не вызывает сомнений

и подтверждена исследованиями на большом количестве УВа2Си307.х БП, теоретическими расчетами и результатами компьютерного моделирования. Часть результатов согласуется с другими исследованиями, выполненными в ИРЭ РАН без участия автора, а также с исследованиями проведенными другими научными группами.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на следующих международных конференциях: Applied Superconductivity Conference ASC 2002, Houston, USA; 6th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS 2003, Sorrento, Italy; Joint 29 Int. Conference on Infrared and Millimeter Wave and 12 Int. Conference on Terahertz electronics, Karlsruhe, Germany, 2004; 8th Int. Conference on Applied Electromagnetics and Communications, Zagreb, Croatia, 2005; 7th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS 2005, Vienna, Austria; Int. Workshop on Terahertz Technology, Osaka, Japan, 2005; Applied Superconductivity Conference ASC 2006, Seattle, USA; 2-я международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости", Звенигород, Россия, 2006.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата. Вклад автора в проведенную работу заключался в следующем:

1. разработал экспериментальные установки для исследования электрических, шумовых и детекторных характеристик тонкопленочных YBa2Cu307.x БП.

2. разработал технологию низкотемпературного отжига YBa2Cu307_x БП в атмосфере озона, активированного ультрафиолетовым излучением.

3. провел представленные в работе теоретические оценки.

4. разработал методики измерения шумовых и детекторных характеристик тонкопленочных YBa2Cu307.x бикристаллических джозефсоновских переходов.

5. провел измерения необходимых экспериментальных данных, на основе которых были получены результаты и сделаны выводы данной работы.

6. проанализировал и сделал выводы из полученных экспериментальных данных.

7. представлял и защищал результаты проведенной работы в процессе ее апробации на научных семинарах и конференциях, участвовал в написании статей. Структура и объем диссертации. Данная диссертация состоит из введения,

шести глав и списка цитированной литературы из 138 пунктов. Объем диссертации составляет 159 печатные страницы, в том числе 7 таблиц и 43 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Введение содержит краткое описание области применения терагерцовых технологий, характеристики основных спектроскопических методик, использующихся в терагерцовой области частот, также в нем перечислены недавно появившиеся мощные импульсные источники терагерцового излучения. В конце введения обосновы-

вается актуальность выбранной темы, научная новизна и практическая ценность представленной работы.

В главе 1 представлен обзор литературы, непосредственно относящейся к теме работы и затрагиваемых в ней вопросов.

В разделах 1.1-1.2 приведены основные формулы и термины, которые описывают эффект Джозефсона в сверхпроводящих структурах, а также основные уравнения теории ГС.

В разделах 1.3-1.5 перечислены основные типы БП из ВТСП и приведены их характеристики. Рассмотрены модели барьера в БП из ВТСП и приведены основные экспериментальные материалы и представления, касающиеся НЧ шумов в БПВ.

В разделе 1.6 перечислены способы насыщения БП из ВТСП кислородом и рассмотрены изменения характеристик БП, к которым приводят различные методы насыщения БП кислородом.

В разделе 1.7 приведены известные из литературы характеристики частотно-селективного детектора на основе БП из ВТСП.

В разделе 1.8 сформулированы актуальные задачи, которые необходимо решить для обоснованного применения YBa2Cu307.x БПН для ГС в терагерцовой области частот:

1. Исследовать электрические и НЧ шумовые характеристики БПН.

2. Исследовать влияние концентрации кислорода в области бикристаллического шва на электрические и НЧ шумовые характеристики БПН.

3. Экспериментально и теоретически исследовать детекторные характеристики БПН в терагерцовом диапазоне частот и сравнить их с аналогичными характеристиками БПВ.

4. Экспериментально исследовать возможность использования БПН для терагерцовой ГС.

Глава 2 содержит описание оригинальных экспериментальных установок, использовавшихся в данной работе.

В разделе 2.1 описано устройство и характеристики экспериментальной установки для исследования электрических и шумовых характеристик БП из YBa2Cu307.x. Установка позволяла исследовать параметры БП при Т = 7 - 90 К. Электрические и шумовые характеристики БП измерялись при помощи специально разработанного криогенного усилителя, который имеет частотную полосу 0-180 кГц, входные шумы по напряжению 2,3-Ю"10 В/Гц"2, коэффициент нелинейных искажений меньше 10"4 при напряжениях на входе до 10 мВ.

В разделе 2.2 описано устройство и характеристики экспериментальной установки для исследования детекторных характеристик БП из УВа2Сиз07.х в терагерцовой

области частот. Установка позволяла исследовать характеристики БП в частотном диапазоне 0,5 - 5 ТГц и в диапазоне мощностей, изменяемом на 45 дБ. Отклик напряжения БП на внешнее излучение измерялся при помощи составного малошумя-щего усилителя с криогенным предусилителем, который имел частотную полосу 100 Гц - 1,5 МГц и входные шумы по напряжению 1,6- Ю"10 В/Гц1'2.

В разделе 2.3 приведено описание экспериментальной установки для насыщения БП из YBa2Cu307.x кислородом и обоснован выбор методики низкотемпературного отжига в озоне, активированном ультрафиолетовым (УФ) излучением для насыщения БП кислородом. Установка позволяла отжигать БП при температурах до 250°С. Максимальная скорость нагрева/охлаждения БП превышала 100°С/мин.

В главе 3 приведены результаты предварительного исследования вольт-амперных и НЧ шумовых характеристик БП из YBa2Cu307.x с вертикальными и наклонными осями [001], которые были получены с помощью распыления мишени из YBa2Cu307.x в атмосфере кислорода на бикристаллические подложки с различной разориентацией, УФ литографии и последующего химического травления.

В разделе 3.1 кратко описаны мотивы, побудившие провести предварительное исследование вольт-амперных и НЧ шумовых характеристик разных типов БП из YBa2Cu307.x.

В разделе 3.2 описана методика измерения электрических и НЧ шумовых характеристик БП. Также предложена модификация уравнения для спектральной плотности мощности флуктуаций напряжения БП Sy, в которую в явном виде входит коэффициент корреляции между флуктуациями критического тока SIC и флуктуациями сопротивления БП SRn:

Sy(f) =

r Ii R. V

S,(f) + V%(f)-2k(f)Vc2 [S,(f)Sr(f)f

(1)

< -

о H

-Г=7,4К

--7*= 15 К

----Г-25К

---Г=35К

----Т= 45 К

.....Г=57К ур

-Т= 65 К У?'

__

где V и / -напряжение и ток через переход, /- частота, - дифференциальное сопротивление БП, 3,=(Б1с/1с2) и Б^^цг/Яп) - нормированные спектральные плотности мощности флуктуаций критического тока и сопротивления БП, соответственно, кф - коэффициент корреляции между флуктуациями 31 с и Ж„.

В разделе 3.3 приведены результаты исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) 20-ти БП из УВа2Си307.х с /?„ = 0,6 — 12 Ом на подложках из

Напряжение, мВ Рис. 1. Семейство ВАХ БПН.

ШваОз, БгТЮз, М§0. Так как ВАХ БПВ достаточно хорошо изучены, то особое внимание в данном разделе уделено анализу ВАХ БПН. В диапазоне температур Т> 40 К ВАХ БПН были близки к гиперболической зависимости, характерной для РМ, как это показано на рис. 1. Более детальное сравнение экспериментальных ВАХ БПН с ВАХ, вычисленными согласно РМ с аналогичными значениями 1С и Яп, показало, что ВАХ БПН лежат ниже ВАХ, соответствующих РМ. Избыточного тока в исследованных БП не наблюдалось. Относительное отклонение ВАХ БПН от РМ увеличивалось с уменьшением температуры и при температурах выше 55 К не превышало 10%.

В разделе 3.4 проанализированы отклонения ВАХ БПН от РМ. Согласно [7] понижение ВАХ относительно ВАХ, соответствующих РМ, может происходить из-за шунтирования джозефсоновских осцилляций внешней системой с импедансом ге. Сравнение экспериментальных ВАХ с результатами численного моделирования показало, что импеданс внешней системы ге не может быть представлен в виде частот-нонезависимой емкости или в виде идеальной длинной линии с постоянным волновым сопротивлением. При Г < 50 К на зависимости Яа(Т) появлялись резонансные особенности, выраженность которых уменьшалась с увеличением температуры. Появление резонансов на частотах выше 1 ТГц может быть вызвано взаимодействием джозефсоновской генерации с фононными модами УВа2Сиз07..х, ШваОз и БгТЮз. Происхождение резонансов на частотах ниже 1 ТГц, по-видимому, связано с геометрическими резонансами в подложке.

В разделе 3.5 в диапазоне частот 0,1 - 25,6 кГц исследовались НЧ шумовые характеристики БП из УВа2Си307.х. Также как и в разделе 3.3 основное внимание было уделено БПН. НЧ шумы напряжения в исследованных переходах имели вид 1//" с а = 0,7 - 1,0, как при токе смещения I ~ 1„ когда шумы БП обусловлены флуктуация-ми критического тока, так и при I» 1с, когда доминируют флуктуации сопротивле-

Рис. 2. Зависимости спектральной плотности мощности флуктуаций напряжения Б у БПН от частоты при токах смещения / = 1С (а) и I»1С (б).

лись отклонения от зависимости l/f", которые могут быть объяснены влиянием отдельных ловушек [12].

Экспериментальные зависимости спектральной плотности мощности флуктуа-ций напряжения S у на частоте 3,2 кГц от тока смещения для БП с взаимнонаклонен-ными на углы ±14° осями [001], при различных температурах представлены на рис. За символами. С качественной точки зрения форма зависимости спектральной плотности мощности флуктуаций напряжения БПН от тока смещения сходна с хорошо известными аналогичными зависимостями для БПВ. Следовательно, также как и в случае БПВ, можно попытаться описать зависимость Sf{I) БПН при помощи модели, в которой источниками НЧ шума являются флуктуации 51 с и SRn. Анализ шумовых параметров БП проводился при Г > 55 К, где В АХ БП удовлетворительно описывается РМ. На рис. 36 штриховыми линиями показаны результаты подгонки экспериментальных данных при помощи уравнения (1). В качестве параметров подгонки использовались S„ Sr и коэффициент корреляции к между флуктуации SIC и 8Rn. Видно, что экспериментальные результаты хорошо описываются уравнением (1).

Согласно результатам шумового анализа усредненная величина коэффициента корреляции в БПН равнялась -0,9. Это свидетельствует о том, что в среднем флуктуации SIC и SRn в БПН почти полностью коррелированны, и сверхток и ток квазичастиц в значительной степени текут через одни и те же места барьера. В исследовавшихся нами БПВ средняя величина коэффициента корреляции равнялась -0,7. Таким образом, анализ значений коэффициента корреляции подтверждает предположение о том, что в среднем барьер БПН более однороден, чем барьер БПВ.

Несмотря на сильные отклонения ВАХ БП от РМ в области низких температур, линейная зависимость Sy от V2 при больших смещениях позволяла вычислить значения Sr в широком диапазоне температур 7 - 75 К. Вычисленные значения Sr для БПВ, также как и для БПВ, не демонстрировали явной зависимости от температуры,

Ток, мА Ток, мА

Рис. 3. Зависимости спектральной плотности мощности флуктуаций напряжения Б у на частоте 3,2 кГц от тока смещения (а). Экспериментальные зависимости Бу(1) (символы) и результаты подгонки экспериментальных данных при помощи уравнения (1) (штриховые линии) (б). 8

что хорошо согласуется с известными из литературы данными для БПВ [13]. Значения 5, были получены в более узком диапазоне температур 55 - 75 К, где В АХ БП удовлетворительно описывается РМ.

В исследованных БПВ усредненное значение параметра р = (Б, /5Г)'/2 равнялось 1,5. В БПН среднее значение параметра р равнялось 1,2. Таким образом, параметры барьера в БПН более близки к параметрам однородного барьера, для которого к = -1 ир = 1, чем параметры барьера в БПВ.

Наилучшего спектрального разрешения частотно-селективный детектор на основе ДП достигает в диапазоне напряжении V > Ус, где основной вклад в шумы перехода вносят флуктуации сопротивления 6Яп. Поэтому, для ответа на вопрос, БП какого типа более предпочтительны для практического использования в частотно-селективном детекторе, необходимо сравнить величины для БП разного типа, имеющих одинаковое сопротивление. Анализ значений 5Г показал, что для БП, изготовленных в рамках одной оптимизации условий напыления эпитаксиальных пленок УВа2Си3С>7.х, отношение (Бг /Яп) не зависит от типа БП. Следовательно, благодаря более высоким (до трех раз) значениям Ус, БПН более перспективны для использования в частотно-селективном детектировании, чем БПВ. Однако для окончательного ответа на поставленный вопрос необходимо исследование детекторных характеристик БПН.

В разделе 3.6 проанализированы экспериментальные данные, представленные в данной главе, и на их основе в разделе 3.7 сделаны выводы.

В главе 4 исследовано влияние низкотемпературного отжига в озоне, активированном УФ излучением, на электрические и шумовые характеристики БПН.

В разделе 4.1 кратко описаны возможные причины изменения характеристик бикристаллического шва в процессе формирования БП.

В разделе 4.2 показано, что при формировании БП из УВагСизО?.* при помощи травления в 0,1 % растворе брома в этаноле происходит увеличение удельного сопротивления, уменьшение плотности критического тока ]с, а характерное напряжение БП уменьшается. После длительного отжига при комнатной температуре в атмосфере сухого воздуха удельные электрические характеристики БП, а также значение Ус, восстановились. Это свидетельствует о том, что травление в растворе брома в этаноле не приводит к изменениям катионной подсистемы в области бикристаллического шва, а затрагивает лишь кислородную подсистему. Наиболее вероятной причиной восстановления удельных электрических характеристик БП после отжига при комнатной температуре является диффузия кислорода из берегов в область бикристаллического шва. Однако восстановление концентрации кислорода в области бикристаллического шва можно обеспечить не только за счет диффузии из берегов, но также и при помощи отжига БП в атмосфере, содержащей атомарный кислород.

В разделе 4.3 описана методика отжига мостиков и БП из УВа2Си3С>7_х в атмосфере смеси озона и кислорода, активированных УФ излучением.

В разделе 4.4 показано, что отжиг тонкопленочных мостиков из УВа2Сиз07.х с вертикальной и наклонной осью [001] приводит к незначительному уменьшению критической температуры, которое может быть объяснено температурноактивиро-ванным перераспределением кислорода. Ширина перехода в сверхпроводящее состояние и критический ток мостиков после отжига не менялись. Также в данном разделе показано, что отжиг в активированном УФ излучением озоне при Т= 140°С приводит к изменению концентрации кислорода в границах между зернами, но не в самих зернах УВа2Си307_х.

В разделе 4.5 описано влияние низкотемпературного отжига в озоне, активированном УФ излучением, на ВАХ БПН. БПН были подвергнуты серии последовательных отжигов в течение 0,5, 1 и 2 часов при Т= 140°С. Первый же отжиг в течение 0,5 часа привел к двукратному уменьшению сопротивления переходов вне зависимости от их ширины. Увеличение значения Ус БПН составило несколько процентов. Таким образом, показано, что в БПН величина характерного напряжения не зависит от плотности критического тока_/с. Последующие отжиги в течение 1 и 2 часов не привели к дальнейшим изменениям ВАХ. Так как величина изменения сопротивления не зависела от ширины переходов, то можно сделать предположение, что отжиг привел к уменьшению толщины барьера, а не к увеличению эффективной площади перехода.

Семейство ВАХ БПН после серии отжигов показано на рис. 4а. Из рис. 4а видно, что сопротивление БПН не зависит от температуры. Так же как и в случае не отожженных БПН, избыточного тока не наблюдалось. Зависимость характерного напряжения перехода от температуры показана на вставке в рис. 4а. В диапазоне тем-

Напряжение, мВ (Напряжение)//

Рис. 4. Семейство ВАХ и температурная зависимость характерного напряжения БПН после серии отжигов в озоне, активированном УФ излучением (а). ВАХ БПН при Т = 55 К до (сплошная линия) и после (штриховая линия) серии отжигов. 10

ператур 35 - 75 К характерное напряжение линейно зависит от температуры, однако при более низких температурах Т < 35 К наклон зависимости VC(T) меняется. Изменение наклона зависимости VC(T) может быть связано с тем, что при низких температурах перестает выполняться неравенство w < 4ЛР где w - ширина БП, а Л, - джо-зефсоновская глубина проникновения, и распределение сверхтока по ширине перехода перестает быть однородным. Отжиг привел не только к уменьшению сопротивления, но и к изменению формы ВАХ, как это показано на рис. 46. После отжига относительное отклонение ВАХ БПН от РМ значительно уменьшилось и при Т= 55 К не превышало 0,4 %. На рис. 46 штриховая линия совпадает с ВАХ, вычисленной согласно РМ с аналогичными значениями /с и Rn. Столь малые отклонения ВАХ БПН от РМ существенно упрощают анализ работы детекторов и спектрометров на основе данного типа переходов.

В разделе 4.6 описано влияние низкотемпературного отжига в озоне, активированном УФ излучением, на НЧ шумы БПН. Наряду с изменениями ВАХ БПН отжиг в течение 0,5 часа также привел к уменьшению амплитуды НЧ шумов БПН. Последующие отжиги в течение 1 и 2 часов не привели к дальнейшим изменениям шумов. Зависимость Sy БПН от частоты до и после серии отжигов показана на рис. 5а. Для численного анализа изменений из зависимостей Sy(V) были найдены величины S„ Sr и коэффициента корреляции к. Результаты подгонки показаны на рис. 56 штриховыми линиями. Оказалось, что вследствие отжига величина Sr уменьшилось в 2,8 -3,2 раза. Так как при отжиге площадь переходов не менялась, то в рамках модели, предложенной в [13], уменьшение величины Sr можно объяснить уменьшением количества ловушек, ответственных за возникновение НЧ шума.

Вычисленная для отожженных переходов величина коэффициента корреляции к с точностью до ошибки подгонки равнялась -1 (см. таблицу 1), что означает полную коррелированность флуктуаций SIC и SRn. Следовательно, в данных переходах ток

Рис. 5. Зависимость Бу БПН от частоты при V- 6 мВ (а) и от напряжения (б) при Т= 55 К до и после серии отжигов в озоне, активированном УФ излучением. Штриховыми линиями показаны результаты подгонки экспериментальных данных при помощи уравнения (1).

Ом Щт мВ 5,(3 ДкГц), 10"12 Гц1 5^(3,2кГц), 10"12 Гц1 (Б, Я,)"2 к

2,3 2,5 3,6+0,1 3,6±0,2 1,0+0,1 -1,0±0,1

3,3 1,9 3,4±0,1 3,5±0,2 1,0±0,1 -1,0±0,1

5,7 1,9 14±1 11±0,5 1,1±0,1 -1,0±0,1

Таблица 1. Шумовые характеристики БПН при Т= 55 К после серии низкотемпературных отжигов в озоне, активированном УФ излучением.

квазичастиц и сверхток текут через одни и те же места барьера. Влияние корреляции между флуктуациями 81 с и <57?„ на шумы БПН наглядно показано на рис. 6, где для разных температур построены зависимости 5у (3,2кГц) от V2. Видно, что кривые на рис. 6 при больших смещениях не сливаются, а идут параллельно друг другу. Такое поведение можно объяснить при помощи уравнения (1), в котором корреляционный член пропорционален V/ и не зависит от смещения. Также оказалось, что в отожженных переходах с точностью до ошибки подгонки нормированные спектральные плотности Б, и 5Г равны (см. таблицу 1), что свидетельствует о том, что параметры барьера для сверхтока и тока квазичастиц одинаковы. Учитывая отсутствие избыточного тока и независимость сопротивления перехода от температуры, можно сделать вывод, что механизмом переноса сверхтока и тока квазичастиц в БПН является прямое туннелирование.

В разделе 4.7 проанализированы экспериментальные данные, и на их основе в разделе 4.8 сделаны выводы.

В главе 5 представлены теоретические оценки детекторных характеристик частотно-селективного детектора на основе ДП с учетом и без учета влияния избыточных флуктуаций.

В разделе 5.1 обусловлена необходимость учета флуктуаций типа 1// при оценке характеристик частотно-селективного детектора в терагерцовом диапазоне частот.

В разделе 5.2 рассматриваются динамические ошибки, определяющие предельную скорость сканировании спектра при помощи частотно-селективного детектора на основе ДП. Показано, что при линейной развертке напряжения на ДП, предельная скорость сканирования спектра V в режиме задания напряжения на ДП определяется уравнением V = (2е/И) (7гЕгг8У)2/(1п(У^/Егг)), а

в режиме задания тока через ДП V = лВгевр6У/(1п(V.Ъ/Егг)), где Вгар - частотная полоса 12

• 4*10"-

Ьа со

а 1ч

2 2x10 "Н

С2< ьэ

45 К

» . А- *«

^А-д-

д

55 К

'л-о'

•-о"

65 К

о 2x10 4x10

(Напряжение)2, В3 Рис. 6. Экспериментальные зависимости 5у(У2) (символы) при Т = 45, 55, 65 К и результаты подгонки экспериментальных данных при помощи уравнения (1) (штриховые линии).

канала измерения отклика тока ДП, SV - ширина линии джозефсоновской генерации, выраженная в вольтах, Err - относительное отклонение амплитуды и положения частотно-селективного резонанса, вызванного взаимодействием джозефсоновской генерации с внешним монохроматическим излучением, от их истинных значений, вычисленных согласно РМ. Согласно численным оценкам, при спектральном разрешении 1 ГГц и относительной ошибке измерения амплитуды и положения частотно-селективного резонанса, не превышающей 0,1 %, предельная скорость сканирования спектра частотно-селективного детектора в режиме задания тока может достигать 9,2-103 ТГц/сек, если Bresp = 1 МГц.

В разделе 5.3 приведена оценка NEP частотно-селективного детектора на основе БПН с учетом НЧ шумов типа 1/f. Показано, что NEP частотно-селективного детектора на основе исследовавшихся БПН может быть найдена как

АЖР = 2,ЗЮ"4Л-

—W/2F • .h) " с

(l + Cl2)-(Z + 2 Q2)

Вт

Va

(2)

где П = Ь.//2е1сЯ„ - безразмерная частота,/- частота внешнего монохроматического сигнала, /т - частота, на которой измеряется ИЕР. Результаты численных оценок ИЕР частотно-селективного детектора на основе типичного БПН с Яп = 1 Ом для/й = 10 кГц приведены на рис. 7а.

В разделе 5.4 приведена оценка величины динамического диапазона по мощности частотно-селективного детектора на основе БПН с учетом и без учета избыточных шумов типа 1//. Одним из главных вопросов при оценке величины динамического диапазона по мощности £> является определение его верхней границы. В данной работе верхняя граница динамического диапазона по мощности определялась при помощи, так называемого, 3 дБ критерия, согласно которому верхней границей И является мощность внешнего излучения Р„ при которой чувствительность детек-

10"

с "я ю" I

U

(-•

ва а: ю-1-,

£

10*14-1

- К = 0,3 мВ, Т = 83К (а)

--- F = 1 мВ, Т= 74К У

..... F = 3 мВ, 7= 47К /

~ ~ -_ / / / / / / / / / / / ' ' S

0.1 1 Частота, ТГц

62-

В о

м Я С « 60'

4 is

5

а

и

£ 58 S

г я

X 5

(б)

К = 0,3 мВ, Т= 83К И = 1 мВ, Т= 74К У= 3 мВ, Г=47К

2 3

Частота, ТГц

Рис. 7. Зависимость ИЕР частотно-селективного детектора на основе БПН, обусловленная НЧ шумами типа 1//, от частоты внешнего излучения (а). Частотная зависимость динамического диапазона по мощности О частотно-селективного детектора на основе БПН (б).

тора падает в 2 раза. При помощи численного моделирования зависимости амплитуды частотно-селективного отклика от мощности внешнего сигнала согласно 3 дБ критерию нами были найдены значения Р, для различных температур Т = 40 - 80 К, сопротивлений ДП = 1 20 Ом и безразмерных частот внешнего излучения О в диапазоне 0,3 10. Оказалось, что найденный при помощи численного моделирования ход зависимости Т, Я„) может быть описан выражением

Согласно данным численного моделирования формула (3) оценивает величину верхней границы динамического диапазона частотно-селективного детектора с точностью не хуже 5% при условии, что (4лкТеЛг1с) < 5-10"2.

Если величина ИЕР часто-селективного детектора обусловлена тепловыми равновесными шумами, то выражение для динамического диапазона по мощности может быть записано как:

Результаты численной оценки динамического диапазона по мощности частотно-селективного детектора на основе типичного БПН с Я„ = 1 Ом приведены на рис. 76. Из рис. 76 видно, что в терагерцовой области частот величина й варьируется в диапазоне 56 - 62 дБ.

В разделе 5.5 приведены выводы, сделанные на основе представленных в данной главе теоретических оценок.

В главе 6 представлены результаты экспериментального исследования детекторных характеристик частотно-селективного детектора на основе БПН в терагерцовой области частот.

В разделе 6.1 кратко обоснована необходимость исследования детекторных характеристик БПН в терагерцовой области частот.

В разделе 6.2 описана методика измерения зависимости отклика напряжения АУ(У) БП на внешнее излучение произвольной мощности.

В разделе 6.3 рассмотрены ограничения, которые накладывает на частотную полосу квазиоптического тракта его устройство, рассчитаны и экспериментально измерены потери излучения на оптических элементах квазиоптического тракта, оценены потери при согласовании излучения с низкоомным БП.

В разделе 6.4 представлены результаты экспериментального исследования детекторных характеристик БПН и БПВ на частоте /= 0,692 ТГц в диапазоне температур 54 - 75 К. Отклик напряжения БПН на внешнее излучение с частотой 0,692 ТГц из-

2

(3)

<

10* 10* 10"' 10"1 Мощность, Вт

о

1

Напряжение, мВ

2

Рис. 8. Зависимость отклика напряжения БПН на монохроматическое излучение с частотой 0,692 ТГц от напряжения (а). Зависимость амплитуд неселективного АУ0 (треугольники) и частотно-селективного ДК; (круги) откликов БПН от мощности внешнего излучения при Т =

мерялся при помощи синхронного детектора на частоте уй, = 1,8 кГц с постоянной времени т= 5 мсек. В качестве источника излучения использовался НСООН лазер с оптической накачкой. Для изменения мощности излучения, попадающего на БПН, использовались тонкопленочные аттенюаторы, откалиброванные при помощи пироэлектрического и оптикоакустического приемников. Амплитуда частотно-селективного отклика напряжения А У] при напряжении V ~ И//2е= 1.43 мВ определялась из зависимости АУ(У), как это показано на рис. 8а. Также на рис. 8а видно, что на зависимости АУ(У) при напряжениях близких к нулю есть максимум отклика с амплитудой АУ0. Данный отклик связан с подавлением критического тока внешним излучением.

Зависимость амплитуды частотно-селективного отклика АУ1 БП с взаимнонакло-ненными на углы ±14° осями [001] с Яп = 4,1 Ом от мощности внешнего излучения при Т= 55 К показана на рис. 86 при помощи кругов. Значение Ус БПН при данной температуре составляло 2,6 мВ. Для абсолютной калибровки оси поглощенной мощности было использовано известное теоретическое значение, соответствующее первому минимуму зависимости критического тока от мощности. Для уточнения величины поглощенной мощности внешнего излучения экспериментальные ВАХ сравнивались с результатами численного моделирования, основанного на РМ. Также в эксперименте измерялась зависимость амплитуды неселективного отклика напряжения АУо от мощности внешнего излучения, показанная на рис. 86 треугольниками. Особенностью неселективного отклика является то, что динамический диапазон по мощности неселективного отклика намного больше, чем динамический диапазон по мощности частотно-селективного отклика. На рис. 86 видно, что величина АУ0 линейно зависит от мощности внешнего излучения вплоть до напряжения насыщения,

55 К (б).

которое соответствует ограничению амплитуды неселективного отклика первой ступенью тока при V = 1,43 мВ. Это свидетельствует о правильной калибровке аттенюаторов.

При малых мощностях внешнего излучения амплитуда частотно-селективного отклика AVj перехода линейно зависит от мощности Р излучения, что позволяет вычислить вольт-ваттную чувствительность БПН в частотно-селективном режиме. Значения вольт-ваттной чувствительности г у = AV/P, полученные из экспериментальных зависимостей AV,(P) при разных температурах, приведены в таблице 2. Наибольшая вольт-ваттная чувствительность, равная (7+2)-104 В/Вт, была получена при Т = 55 К. Как видно из таблицы 2, полученные значения г у с точностью до ошибок эксперимента совпадают с теоретическими оценками, что свидетельствует о хорошем согласии характеристик исследованных БПН с РМ.

Также в таблице 2 приведены величины NEP, полученные из экспериментальных данных по формуле NEP = Sy"2/rv, где спектральная плотность мощности флуктуа-ций БПН S у была измерена на частоте 1,8 кГц при напряжении V = 1,43 мВ. Для сравнения в таблице 2 приведены оценки NEP, вычисленные согласно РМ с учетом тепловых флуктуаций. Лучшие экспериментальные величины NEP, достигнутые в температурном интервале 54 - 75 К, составляли (2,6±0.8)-10"13 Вт/Гц1/2. При повышении частоты модуляции излучения до мегагерцового диапазона частот, что приведет к уменьшению шумов типа 1 !fm до уровня тепловых флуктуаций, возможна реализация величин NEP около 5-Ю'15 Вт/Гц"2.

Из рис. 86 следует, что амплитуда отклика напряжения при Т = 55 К отклоняется от линейного закона в два раза при поглощенной мощности внешнего излучения Ps = (1,5±1,0)Т0*8 Вт, что соответствует величине динамического диапазона Ps /NEP по мощности равной 47±3 дБ в частотной полосе 1 Гц. Величины динамического

БП с взаимнонаклоненными осями [001] cR„ = 4,1 Ом

г у, В/Вт NEP, Вт/Гц"2 А дБ

Т= 54К Vc = 2,6 мВ Теор. оценка 6,1-Ю4 4,5-Ю"15 63

Эксперимент (7±2)-104 (3±1)-10"13 47±3

Т= 65К Vc= 1,7 мВ Теор. оценка 4,1-Ю4 5,МО"'5 62

Эксперимент (3,6±1,1>104 (2,6±0,8)-10"1J 47±3

Т=75К Vc = 0,9 мВ Теор. оценка 1,9-104 8,3-10"ls 61

Эксперимент (1,6±0,5)104 (3,4±1,0)10"1J 46±3

БП с вертикальными осями [001] с R„ = 5 Ом

Т= 65К Vc = 0,51 мВ Теор. оценка 9,9-103 1,5-10"14 60,5

Эксперимент (8,3±2,5)10J (5,4±1,6)-10'IJ 46±3

Таблица 2. Детекторные характеристики БПН и БПВ в частотно-селективном режиме. 16

диапазона, полученные из экспериментальных данных аналогичным образом при других температурах, также приведены в таблице 2. Измеренные величины Р„ также с точностью до ошибок эксперимента согласуются с формулой (3). Экспериментальные величины динамического диапазона по мощности для исследовавшихся переходов были в несколько десятков раз меньше, чем соответствующие теоретические величины, из-за избыточных шумов типа 1//т.

Однако, так как было показано, что характеристики БПН хорошо описываются РМ, то следует ожидать, что при использовании более высокочастотных модуляторов или импульсных источников терагерцового изучения джозефсоновские детекторы на основе БПН, работающие при азотных температурах, будут иметь величины ЫЕР около 5-10"15 Вт/Гц1/2 и динамического диапазона около 60 дБ.

Для сравнения были исследованы детекторные характеристики БП с вертикальными осями [001] с Ял = 5 Ом. Результаты исследования также приведены в таблице 2. Видно, что при одинаковой температуре БПН имеет вдвое лучшее значение ЫЕР и в 4 раза более высокое значение вольт-ваттной чувствительности, чем БПВ. Таким образом, экспериментально подтверждено, что БПН имеют лучшие детекторные характеристики в терагерцовой области частот, чем БПВ.

В разделе 6.5 представлены результаты экспериментального исследования полихроматического спектра излучения газового лазера дальнего ИК диапазона при помощи частотно-селективного детектора на основе БПН. Эти лазеры в течение многих лет используются в спектроскопии, а так же в качестве генераторов накачки для гетеродинных приемников. Наибольшая выходная мощность данного типа лазеров достигается на частоте 2,523 ТГц при накачке паров метанола излучением С02 лазера. Однако из-за сложной структуры молекулы метанола и используемого многомо-дового резонатора, при максимизации выходной мощности такого лазера его излучение, как правило, имеет полихроматический спектр, в то время как для работы различных спектроскопических устройств требуется монохроматическое излучение.

Обычная процедура оптимизации спектрального состава излучения газового лазера заключается в сканировании длины резонатора лазера для поиска максимумов выходной мощности лазера при помощи широкополосного детектора. По разности между длинами резонатора, соответствующими разным максимумам выходной мощности, можно определить длину волны излучения, соответствующую данной длине резонатора. Однако гораздо быстрее оптимизация спектрального состава излучения лазера дальнего ИК диапазона может быть произведена при помощи частотно-селективного детектора на основе БПН и Гильберт-спектроскопии.

Для демонстрации возможности использования БПН для терагерцовой ГС полихроматического излучения газового лазера был выбран переход с Д„=3,1 Ом. Температура перехода была понижена до 51 К, при этом его величина его Ус достигла 2,9

5л

^-у---_

1,5 2,0

Частота, ТГц

(б)

1,5 2,0

Частота, ТГц

2,52 ТГц

2,5

Рис. 9. Спектр выходного излучения НСООН лазера с оптической накачкой при максимальной выходной мощности (а) и оптимизированный спектр выходного излучения (б), полученные при помощи ГС и частотно-селективного детектора на основе БПН за время, равное 2 сек.

мВ. Область спектрального анализа была сужена до 2,7 ТГц, а постоянная времени синхронного детектора уменьшена до 0,64 мсек, что позволило уменьшить время одного скана до 2 сек. Пример спектра выходного излучения газового лазера дальнего ИК диапазона при максимальной выходной мощности, полученный при помощи ГС на основе БПН, показан на рис. 9а. Видно, что спектр излучения лазера содержит три линии с частотами 1,48 ТГц, 1,76 ТГц и 2,52 ТГц. Сканируя длину резонатора лазера можно было добиться полного исчезновения излучения на частотах 1,48 ТГц и 1,76 ТГц. Оптимизированный таким образом спектр излучения лазера представлен на рис. 96.

Спектральное разрешение частотно-селективного детектора на основе БПН в данном эксперименте на частоте 2,52 ТГц равнялось 13 ГГц. Таким образом, нами была продемонстрирована возможность использования БПН для ГС в терагерцовой области частот.

В заключении приведены основные результаты диссертации и сформулированы выводы.

1. Разработаны экспериментальные установки для исследования электрических, низкочастотных шумовых и детекторных характеристик тонкопленочных БП в интервале температур 7 90 К при напряжениях смещения на переходе до 20 мВ. Входные шумы напряжения криогенного усилителя установки для исследо-

частотная полоса усилителя равнялась 0-180 кГц. Экспериментальная установка для исследования детекторных характеристик позволяла исследовать характеристики переходов в частотном диапазоне 0,5 - 5 ТГц и в диапазоне мощно-

Основные результаты и выводы.

вания шумовых характеристик составили 2,3-Ю-10 В/Гц1'2, коэффициент нелинейных искажений был меньше 10"4 при напряжениях на переходе до 10 мВ, а

стей, изменяемом на 45 дБ.

2. Впервые исследованы низкочастотные шумовые характеристики YBa2Cu307.x БП с взаимнонаклоненными осями [001] и их связь с транспортными характеристиками перехода. Обнаружено, что спектральная плотность мощности низкочастотных флуктуаций напряжения Буф имеет вид 1/f с а = 0,7-1,0 в диапазоне частот 100 Гц - 25,6 кГц.

3. Разработана технология низкотемпературного отжига YBa2Cu307.x БПН в атмосфере озона, активированного ультрафиолетовым излучением, которая позволяет повышать проводимость и снижать низкочастотные шумы YBa2Cu307-x БП без ухудшения характерного напряжения. Изменения электрических характеристик бикристаллических переходов вследствие отжига могут быть объяснены уменьшением толщины барьера перехода из-за повышения концентрации кислорода в области бикристаллического шва.

4. Обнаружено, что после отжига ВАХ исследовавшихся переходов при температурах выше 50 К с точностью до долей процента описывается резистивной моделью ДП, что существенно упрощает оптимизацию параметров детекторов и спектрометров на основе этих переходов.

5. На основе модели, в которой причиной избыточного шума являются флуктуации критического тока 51с и флуктуации сопротивления перехода SR„, показано, что в отожженных БПН флуктуации 81с и SR„ полностью коррелированны, а их нормированные спектральные плотности равны. Сделан вывод о том, что механизмом переноса сверхтока и тока квазичастиц является прямое туннелирование через одни и те же места барьера.

6. В рамках резистивной модели с учетом тепловых флуктуаций получена формула, связывающая величину скорости сканирования спектра при помощи частотно-селективного джозефсоновского детектора с относительной ошибкой измерения положения и амплитуды нечетно-симметричного резонанса, вызванного взаимодействием внешнего монохроматического излучения с джозефсоновской генерацией. Показано, что если относительная ошибка измерения положения и амплитуды частотно-селективного отклика не превышает 10"3, а спектральное разрешение равно 1 ГГц, то можно достичь предельной скорости сканирования спектра 9,2-103 ТГц/сек.

7. Проведен численный расчет величины верхней границы динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора и предложен соответствующий критерий, согласующийся с численным расчетом. Согласно этому критерию величина динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора на основе YBa2Cu307.x БПН с сопротивлением 1 Ом варьируется от 56 до 62 дБ в терагерцовой области частот.

8. Впервые экспериментально исследован полный набор детекторных характеристик YBa2Cu307.x БПН. На частоте 0,7 ТГц достигнуты значения вольт-ваттной чувствительности, NEP и динамического диапазона по мощности, равные (7±2)-104 В/Вт, (2,6±0,8)-10"'3 Вт/Гц1'2 и 47±3 дБ, соответственно. Экспериментально подтверждено, что БПН имеют лучшие детекторные характеристики в терагерцовой области частот, чем БПВ.

9. Экспериментально показано, что измеренные величины вольт-ваттной чувствительности и верхней границы динамического диапазона по мощности частотно-селективного детектора на основе YBa2Cu307.x БПН с точность до ошибки эксперимента соответствовали предложенным теоретическим оценкам, базирующимся на резистивной модели с учетом тепловых флуктуаций. Сделан вывод, что при более высоких частотах модуляции внешнего излучения или при использовании импульсных источников излучения, уже при азотных температурах детектора можно достигнуть предельные значения МЕР около 5-10'15 Вт/Гц"2 и динамического диапазона по мощности около 60 дБ.

10. Продемонстрирована возможность использования БПВ для терагерцовой Гильберт-спектроскопии полихроматического излучения газового лазера. Показано, что с помощью исследовавшихся переходов возможно измерение спектров в области частот до 3 ТГц за время 2 сек.

Список публикаций. Основное содержание диссертации было представлено в следующих статьях в научные журналы, а также в трудах конференций:

1. Y. Y. Divin, О. Y. Volkov, М. Liatti, V. V. Shirotov, V. V. Pavlovskii, U. Poppe, P. M. Shadrin, K. Urban// Physica C. 2002. V. 372-376. P. 416-419.

2. Yuri Y. Divin, Oleg Y. Volkov, Matvei V. Liatti and Vladimir N. Gubankov// IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003. V. 13(2). P. 676-679.

3. M.V. Liatti, Y.Y. Divin, V.N. Gubankov, K. Urban// Appl. Supercond. 2003. Proc. 6th European Conf. Appl. Superconductivity (Sorrento, Italy, 14-16 Sept. 2003) ed. by A. Andreone et al., IOP Publishing (Bristol, Philadelphia). 2004. IOP Conf. Series N 181. P. 3106-3111.

4. Y. Y. Divin, O. Y. Volkov; M. Liatti, V. N. Gubankov, K. Urban// Appl. Supercond. 2003. Proc. 6th European Conf. Appl. Superconductivity (Sorrento, Italy, 14-16 Sept. 2003) ed. by A. Andreone et al., IOP Publishing (Bristol, Philadelphia). 2004. IOP Conf. Series N 181. P. 2970-2977.

5. Y.Y. Divin, M.V. Liatti, V.V. Shirotov, U. Poppe, V.N. Gubankov, K. Urban// Conf. Digest of 2004 Joint 29 Int. Conf. on Infrared and Millimeter Wave and 12 Int. Conf. on Terahertz electronics (Sept.27-Oct.l, 2004, Karlsruhe, Germany), ed. by M. Thumm, W. Wiesbeck, IEEE (Piscataway, NJ, USA). 2004. P. 277-278.

6. Y.Y. Divin, M.V. Liatti, D.A. Tkachev, V.V. Pavlovskii, V.V. Shirotov, O.Y. Volkov, U. Poppe, C.L. Jia, V.N. Gubankov, K. Urban// Proc. of 18th Int. Conf. on Appl. Electromagnetics and Communications (12-14 Oct. 2005, Dubrovnik, Croatia), ed. by D. Bonefacic', KoREMA (Zagreb, Croatia). 2005. P. 149-152.

7. M. Liatti, Y. Divin, U. Poppe, V. Gubankov, К. Urban// Journal of Physics: Conf. Series. 2006. V. 43. P. 1211-1214.

8. Y. Divin, D. Tkachev, V. Pavlovskii, O. Volkov, M. Liatti, V. Gubankov, K. Urban// Journal of Physics: Conf. Series. 2006. V. 43. P. 1322-1325.

9. Y.Y. Divin, D.A. Tkachev, U. Poppe, C.L.Jia, K. Urban, M.V. Liatti, V.V. Pavlovskii, V. Shirotov, V. Gubankov// Extended Abstracts of Int. Workshop on Terahertz Technology (Nov. 16-18, 2005, Osaka, Japan). 2005. P. 81-84.

10. M.V. Liatti, U. Poppe and Y.Y. Divin// Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88.152504.

11. M.B. Лятти, Д.А. Ткачев, Ю.Я. Дивин//ПисьмавЖТФ.2006.Т.32(19).С.79-85.

12. Лятти М.В., Дивин Ю.Я., Поппе У., Урбан К., Губанков В.Н.// Труды 2-й международной конференции "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" (9-13 октября, 2006 г., Звенигород). 2006. С. 267-268.

Список цитированной литературы.

1. R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram et al.// Nature. 2002. V. 417. N. 6885. P. 156159.

2. G. Carr, M. Martin, W. McKinney et al.// Nature. 2002. V. 420. N 6912. P. 153-156.

3. C. Baker, I. Gregory, W. Tribe et al.// Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83.(20). P. 41134115.

4. G.W. Chantry, Submillimetre Spectroscopy/ Academic Press, London, 1971.

5. Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids/ Ed. G. Gruener. Springer-Verlag, Berlin. 1998.

6. Ю.Я. Дивин, О.Ю. Полянский, А.Я. Шульман// Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6. С. 454-457.

7. К. К. Лихарев, Б. Т. Ульрих, Системы с джозефсоновскими контактами/ МГУ, 1978. С. 128.

8. Н. Hilgenkamp, J. Mannhart// Rev. Mod. Phys. 2002. V. 74. P. 485.

9. B.B. Широтов, Ю.Я. Дивин// Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30.(12). С. 79-84.

10. Y.Y. Divin, U. Poppe, C.L. Jia et al.// Physica С. 2002. V. 372-376. P. 115-118.

11. Y.Y. Divin, I.M. Kotelyanskii, P.M. Shadrin et al.// Appl. Supercond. 2003. Proc. 6th European Conf. Appl. Superconductuivity (Sorrento, Italy, 14-16 Sept. 2003) ed. by A. Andreone et al., ЮР Publishing (Bristol, Philadelphia). 2004. ЮР Conf. Series N 181. P. 3112-3118.

12. F. Herbstritt, T. Kernen, L. Alff et al.// Appl. Phys. Lett. 2001. V.78.(7). P. 955.

13. A. Marx, R. Gross// Appl. Phys. Lett. 1997. V. 70.(1). P. 120.

Подписано в печать 20.12.2006 г. Формат 60x90, 1/16, Заказ № 112, Тираж 100 Отпечатано в ОАО «ВИЗИТ» с оригинал-макета заказчика

Введение.

1. Обзор литературы.

1.1 Эффект Джозефсона.

1.2 Основы теории Гильберт-спектроскопии.

1.3 Основные типы бикристаллических переходов из ВТСП.

1.4 Основные модели барьера в бикристаллических переходах из ВТСП.

1.5 Избыточные низкочастотные шумы в бикристаллических переходах из ВТСП.

1.6 Изменение электрических характеристик бикристаллических переходов из ВТСП при помощи насыщения их кислородом.

1.7 Детекторные характеристики бикристаллических переходов из ВТСП.

1.8 Постановка задачи.

2. Основные черты экспериментальных установок. 30 2.1 Экспериментальная установка для исследования электрических и шумовых характеристик бикристаллических переходов из ВТСП.

2.1.1. Блок-схема установки для исследования электрических и шумовых характеристик бикристаллических переходов из ВТСП.

2.1.2. Схема блока аналоговой электроники и его характеристики.

2.1.3. Принципиальная схема и характеристики малошумящего криогенного усилителя.

2.2. Экспериментальная установка для исследования детекторных характеристик бикристаллических переходов в терагерцовой области частот.

2.2.1. Блок-схема установки для исследования детекторных характеристик бикристаллических переходов в терагерцовой области частот.

2.2.2. Электрическая часть установки для исследования детекторных характеристик бикристаллических переходов и ее характеристики.

2.2.2.1. Схема электрических измерений.

2.2.2.2. Блок аналоговой электроники и его характеристики.

2.2.2.3. Аналоговый малошумящий генератор развертки.

2.2.3. Квазиоптическая часть экспериментальной установки

2.3. Экспериментальная установка для насыщения бикристаллических переходов кислородом.

2.3.1. Обзор методик насыщения бикристаллических переходов кислородом. Выбор методики насыщения бикристаллических переходов кислородом.

2.3.2. Блок-схема экспериментальной установки для насыщения бикристаллических переходов кислородом.

3. Электрические и низкочастотные шумовые характеристики бикристаллических переходов из УВагСизСЬ-х.

3.1. Введение.

3.2. Методика измерения электрических и шумовых параметров бикристаллических переходов.

3.3. Вольт-амперные характеристики бикристаллических переходов.

3.4. Основные отклонения ВАХ бикристаллических переходов от резистивной модели.

3.5. Низкочастотные шумовые характеристики бикристаллических переходов.

3.6. Анализ экспериментальных результатов.

3.7. Выводы.

4. Влияние отжига в атмосфере атомарного кислорода на электрические и шумовые характеристики бикристаллических переходов.

4.1. Введение.

4.2. Влияние технологического процесса формирования тонкопленочного бикристаллического перехода на параметры бикристаллической границы.

4.3. Методика отжига мостиков из УВагСизС^-х и бикристаллических переходов в атмосфере озона.

4.4. Влияние отжига в атмосфере озона на критический ток и критическую температуру тонких пленок УВа2Сиз07.х.

4.5. Вольт-амперные характеристики бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001 ] до и после отжига в атмосфере озона.

4.6. Низкочастотные шумовые характеристики бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001] до и после отжига в атмосфере озона.

4.7. Анализ экспериментальных результатов.

4.8. Выводы.

5. Теоретическая оценка предельных характеристик частотно-селективного детектора на основе джозефсоновского перехода.

5.1. Введение.

5.2. Оценка предельной скорости сканирования спектра при помощи частотно-селективного детектора на основе джозефсоновского перехода.

5.3. Оценка NEP частотно-селективного детектора с учетом избыточных низкочастотных флуктуаций.

5.4. Оценка динамического диапазона по мощности частотно-селективного детектора.

5.5 Выводы.

6. Исследование детекторных характеристик частотно-селективного детектора на основе бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот.

6.1. Введение.

6.2. Методика измерений отклика напряжения бикристаллического перехода на внешнее монохроматическое излучение.

6.3. Согласование бикристаллического перехода с внешним излучением. Оценки потерь внутри квазиоптического тракта.

6.4. Экспериментальное исследование детекторных характеристик бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями [001] на частоте 692 ГГц.

6.5. Экспериментальное исследование полихроматического спектра излучения газового лазера дальнего ИК диапазона при помощи частотно-селективного детектора на основе бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001].

6.6. Выводы. 148 Основные результаты и выводы. 150 Ссылки. 153 Благодарности.

В последние годы наблюдается значительный прогресс в исследовании свойств материалов и создании источников излучения в терагерцовой области частот. Спектр применений терагерцовых технологий довольно обширен и включает в себя как прикладные, так и фундаментальные задачи. Например, исследование характеристик полупроводников и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) [1,2], терагерцовую томографию [3], исследование поведения сложных биологических молекул, анализ генов без применения меток [4,5] и многое другое. Несмотря на отсутствие устоявшегося определения, что свидетельствует о продолжающемся развитии этой области науки, терагерцовой чаще всего считается область частот от 0,1 ТГц до 10 ТГц [6], лежащая между инфракрасным и микроволновым диапазонами частот.

С исторической области зрения одной из первых областей применения детекторов терагерцового излучения является радиоастрономия [7]. Интерес радиоастрономов к этому диапазону частот во многом обусловлен тем, что примерно половина светимости галактик и 98% фотонов, излученных с момента большого взрыва, попадает в субмиллиметровый, терагерцовый и дальний инфракрасный диапазоны частот [8]. Большая часть этой энергии приходится на излучение межзвездного газа. Терагерцовый диапазон частот также используется в атмосферной физике для изучения верхних слоев атмосферы [9]. Многие легкие молекулы, такие как вода, монооксид углерода, озон и монооксид хлора имеют вращательные уровни энергии в терагерцовой области частот. Поэтому терагерцовая спектроскопия используется, например, при исследовании состояния озонового слоя и для мониторинга веществ, вовлеченных в процесс разрушения озонового слоя, таких как монооксид хлора. Недавно было показано, что сложные биологические молекулы ДНК, РНК, а также различные виды белков имеют спектры поглощения в терагерцовой области частот [10,11]. Считается, что поглощение происходит при взаимодействии терагерцового излучения с фононными модами биоматериалов [12]. Данный эффект может быть использован для детектирования и идентификации биологических веществ, аналогично спектральному анализу. Значительный прогресс в технологии изготовления микроэлектронных устройств на настоящий момент времени привел к созданию прототипов элементной базы способных работать на частотах до 600 ГГц [13,14], что делает возможным в будущем создание электронных устройств, работающих в субтерагерцовом и терагерцовом диапазоне частот, в частности для нужд телекоммуникационных систем. Серьезным препятствием на пути развития терагерцовой микроэлектроники является отсутствие методик характеризации микроэлектронных устройств на столь высоких частотах, поэтому оценки их быстродействия, как правило, являются теоретическими. Поглощение в атмосфере сильно ограничивает использование терагерцового диапазона частот в наземных радарных и телекоммуникационных системах, однако он может быть использован вне земной атмосферы для увеличения емкости каналов межспутниковой связи [15].

Для исследования спектрального состава излучения, свойств веществ и характеристик электронных приборов необходимы инструменты, способные осуществлять спектральный анализ в терагерцовом диапазоне частот. На настоящий момент времени существует несколько методик спектрального анализа в терагерцовой области частот. В первую очередь это Фурье-спектроскопия. Универсальность этой методики позволяет использовать ее в широчайшем диапазоне частот. Однако в терагерцовой области частот Фурье- спектроскопия сталкивается с рядом трудностей. В первую очередь, это увеличение длины оптического пути и связанные с этим дифракционные потери, так как размеры спектрометра должны быть много больше длины волны излучения. Низкая спектральная плотность мощности традиционных источников излучения, таких как дуговые лампы и SiC глобары вынуждает использовать детекторы, работающие при температуре кипения жидкого гелия или еще более низких температурах. Также большую проблему представляет изготовление делителя пучка, способного работать в широком диапазоне частот. Так как принцип действия Фурье-спектроскопии основывается на изменении длины оптического пути одного из плеч интерферометра при помощи механического передвижения зеркала, то увеличение длины волны излучения сильно ухудшает быстродействие данной спектроскопической методики. Однако, несмотря на эти трудности, большой интерес к терагерцовой области частот привел к появлению коммерческих Фурье-спектрометров, способных работать в данной области частот. Спектральный диапазон таких Фурье-спектрометров обычно составляет 5 см'1 -55000 см"1, спектральное разрешение - 0,1 см"1, динамический диапазон по мощности порядка 105 [16]. Другой распространенной спектроскопической методикой является гетеродинный прием на основе смешения сигнала с излучением монохроматического генератора и выделение разностной частоты. Коммерческие спектрометры, использующие эту методику, обычно работают на частотах до 300 ГГц [17]. Основной трудностью препятствующей распространению методики гетеродинного спектрального анализа на терагерцовую область частот является резкое падение мощности твердотельных и вакуумных генераторов излучения с увеличением их частоты, а также малая эффективность умножителей частоты и смесителей в терагерцовой области частот. Несмотря не то, что в настоящее время известны лабораторные макеты твердотельных генераторов микроволнового излучения с предельной частотой до 2,7 ТГц [18], коммерческие широкополосные гетеродинные спектрометры для терагерцового диапазона частот до сих пор недоступны. Более удачной методикой для спектрального анализа в терагерцовой области частот оказалась бурно развивающаяся импульсная терагерцовая спектроскопия ("Terahertz time-domain spectroscopy") [19,20]. В данной спектроскопической методике генерация терагерцового излучения происходит при взаимодействии лазерных импульсов фемтосекундной длительности с полупроводниковой (GaAs, InP) мишенью или с нелинейными оптическими кристаллами (ZnTe, GaSe, LiNbCb). Проходящий или отраженный от исследуемого материала импульс попадает на детектор, управляемый фемтосекундными лазерными импульсами с заданной задержкой относительно терагерцового импульса. Значение сигнала, снимаемого с детектора пропорционально временной свертке лазерного и терагерцового импульсов. Сканируя время задержки можно вычислить зависимость спектр отраженного терагерцового импульса. К достоинствам импульсной терагерцовой спектроскопии можно отнести то, что она позволяет измерять как действительную, так и мнимую часть показателя преломления исследуемого материала. В настоящее время уже появились первые коммерческие импульсные терагерцовые спектрометры, спектральный диапазон которых составляет 40 ГГц- 4 ТГц, спектральное разрешение - 3 ГГц, динамический диапазон по мощности - 105 [21]. Получения одного спектра в таких системах обычно занимает время порядка 1 минуты. К недостаткам данной методики можно отнести невозможность спектрального анализа внешних источников излучения, относительно большое время сканирования спектра из-за наличия механической линии задержки, а также трудности с характеризацией субмиллиметровых объектов из-за относительно большой величины длины волны терагерцового излучения.

Также существуют различные терагерцовые спектроскопические методики, использующие явление сверхпроводимости. Для детектирования миллиметрового и субмиллиметрового излучения часто применяют сверхпроводниковые устройства на основе эффекта Джозефсона. При этом, джозефсоновский переход в роли преобразователя вниз с самонакачкой и джозефсоновский переход в частотно-селективном режиме фактически представляют собой готовые миниатюрные электрически управляемые спектроанализаторы, не требующие дополнительного спектроскопического оборудования [22-25]. Стоит упомянуть и спектроскопическую методику на основе комбинации джозефсоновского перехода, используемого как узкополосный генератор терагерцового излучения, и высокочувствительного болометрического детектора [26]. Малые размеры таких сверхпроводящих спектроскопических систем, а также появление в последнее время относительно дешевых криокулеров с большим сроком службы, делают их перспективными для применения в областях где вес и размеры прибора играют решающую роль, например, на борту летательных аппаратов, на орбитальных спутниках, межпланетных космических станциях.

Для спектрального анализа излучения терагерцового диапазона с произвольным спектром более предпочтителен джозефсоновский переход в частотно-селективном режиме, так как смеситель вниз с самонакачкой плохо принимает квазимонохроматические сигналы [27]. Было показано, что спектр внешнего сигнала может быть восстановлен из частотно-селективного отклика джозефсоновского перехода при помощи интегрального преобразования Гильберта [28]. Соответственно спектроскопическая методика восстановления спектра внешнего сигнала из частотно-селективного отклика джозефсоновского перехода получила название Гильберт-спектроскопия. К преимуществам Гильберт-спектрометра можно отнести отсутствие механических частей, высокое быстродействие детектора, малые размеры. Первые джозефсоновские переходы были сделаны из низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), что ограничивало область их применения миллиметровой областью длин волн. Однако открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с большими значениями энергетической щели и разработка технологии изготовления высококачественных джозефсоновских переходов из ВТСП позволило продвинуть рабочую область джозефсоновского частотно-селективного детектора в терагерцовый диапазон частот, а также перейти к более дешевому азотному охлаждению детектора или охлаждению при помощи криокулера, что значительно удешевляет стоимость обслуживания Гильберт-спектрометра. Показано, что спектральный диапазон Гильберт-спектрометра на основе бикристаллического джозефсоновского перехода из УВа2Сиз07х составляет 5 ГГц - 5 ТГц, а спектральное разрешение порядка 1 - 3 ГГц [29]. На частоте 100 ГГц для частотно-селективного детектора на основе джозефсоновского перехода из УВагСиз07.х были получены значения мощности эквивалентной шуму 10"14 Вт/Гц1/2 и динамического диапазона по мощности 105 при температуре 80 К [30].

Развитие терагерцовых технология во многом сдерживалось отсутствием недорогих мощных источников терагерцового излучения. Фактически, до недавнего времени перечень доступных источников терагерцового излучения ограничивался маломощными (<100 мкВт) генераторами на основе ламп обратной волны или эффекта Ганна в сочетании с умножителями на основе диодов Шоттки и относительно мощными (-100 мВт), но неперестраиваемыми газовыми лазерами, а также неперестраиваемыми генераторами, использующими принцип преобразования вниз [6]. Однако, в последнее время появились новые источники терагерцового излучения такие как лазер на свободных электронах [31], широкополосные импульсные источники на основе эффекта фотопроводимости или на эффекте накачки нелинейных электрооптических кристаллов фемтосекундными лазерными импульсами [19,20], квантовые каскадные лазеры [32], переходное излучение релятивистских электронных пучков [33]. Отличительной чертой новых терагерцовых источников является нестационарность происходящих в них физических процессов и, как следствие этого, импульсный характер их выходного излучения. Импульсный характер излучения накладывает определенные требования на характеристики детектора. В первую очередь это малое время отклика. Высокая частота повторения импульсов некоторых мощных источников широкополосного терагерцового излучения позволяет проводить быстрый спектральный анализ, в частности, изучать переходные процессы при взаимодействии терагерцового изучения с исследуемым объектом, но реализация этой возможности требует высокой скорости сканирования спектра и большого динамического диапазона детектора.

Ясно, что из-за наличия механических частей ни Фурье-спектроскопия, ни импульсная терагерцовая спектроскопия не могут использоваться для быстрого спектрального анализа. Гетеродинные спектрометры удовлетворяют всем требованиям быстрого спектроанализатора и к тому же имеют высокое спектральное разрешение, однако в настоящее время их спектральный диапазон ограничен субтерагерцовыми частотами (300 ГГц для коммерческих гетеродинных спектроанализаторах, использующих внешние смесители). Таким образом, учитывая приведенные выше характеристики спектроскопических методик, Гильберт-спектроскопия является на сегодняшний день пожалуй единственной спектрометрической методикой, способной осуществлять быстрый спектральный анализ как непрерывных, так и импульсных терагерцовых источников с произвольным спектром излучения.

Все вышесказанное определяет интерес к исследованию характеристик Гильберт-спектрометров на основе УВагСизО?.* джозефсоновских переходов в терагерцовой области частот. Известно, что минимум эквивалентной шумовой мощности частотно-селективного детектора лежит в области частот, соответствующих напряжению на джозефсоновском переходе равному 0,9 Vc, где Vc = IcRn - величина характерного напряжения перехода, 1С и R„ - критический ток и сопротивление джозефсоновского перехода в нормальном состоянии, соответственно [30]. Таким образом, для частотно-селективного детектирования в терагерцовой области частот предпочтительны джозефсоновские переходы с высокими значениями характерного напряжения. Несмотря на высокие значения энергетической щели в высокотемпературных сверхпроводниках, до недавнего времени характерные напряжения джозефсоновских переходов из ВТСП не превышали 2 - 3 мВ при температуре 4,2 К. Максимальные значения характерного напряжения были достигнуты для бикристаллических переходов, получающихся напылением тонкой пленки из ВТСП с вертикальной осью [001] на бикристаллическую подложку. Недавно были получены бикристаллические переходы с взаимнонаклоненными осями [001], которые обладают рекордными значениями характерных напряжений до 8 мВ при температуре 4,2 К [34-36]. Благодаря высоким значениям характерного напряжения использование нового типа бикристаллических переходов в Гильберт-спектроскопии представляется перспективным как с точки зрения повышения чувствительности, так и для увеличения спектрального диапазона детектора. Однако в настоящее время известны лишь предварительные данные о средних характеристиках бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями [001]. Поэтому исследование параметров этого типа переходов и их детекторных характеристик представляет большой интерес. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию электрических и низкочастотных шумовых параметров УВагСиз07.х бикристаллических джозефсоновских переходов взаимнонаклоненными осями [001] и изучению их детекторных характеристик в терагерцовой области частот.

Диссертационная работа состоит из введения и 6 глав; содержит 160 страниц, 43 рисунка, 7 таблиц и список ссылок из 138 пунктов.

Основные результаты и выводы.

1. Разработаны экспериментальные установки для исследования электрических, низкочастотных шумовых и детекторных характеристик тонкопленочных бикристаллических переходов в интервале температур 7 + 90 К при напряжениях смещения на переходе до 20 мВ. Входные шумы напряжения криогенного усилителя постоянного напряжения экспериментальной установки для исследования шумовых характеристик составили 2,3-10"10 В/Гц1/2, а коэффициент нелинейных искажений был меньше 10"4 при напряжениях на переходе до 10 мВ. Экспериментальная установка для исследования детекторных характеристик позволяла исследовать характеристики переходов в частотном диапазоне 0,5 - 5 ТГц и в диапазоне мощностей, изменяемом на 45 дБ.

2. Впервые исследованы низкочастотные шумовые характеристики УВагСизСЬ-х бикристаллических переходов с наклонными осями [001] и их связь с транспортными характеристиками перехода. Обнаружено, что спектральная плотность мощности низкочастотных флуктуаций напряжения Sy(f) имеет вид 1/f с а = 0,7-1,0 в диапазоне частот 100 Гц - 25,6 кГц.

3. Разработана технология низкотемпературного отжига УВа2Сиз07.х бикристаллических переходов с наклонными осями [001] в атмосфере озона, активированного ультрафиолетовым излучением, которая позволяет повышать проводимость и снижать низкочастотные шумы УВа2Сиз07-х бикристаллических переходов без ухудшения характерного напряжения. Изменения электрических характеристик бикристаллических переходов вследствие отжига могут быть объяснены уменьшением толщины барьера перехода из-за повышения концентрации кислорода в области бикристаллического шва.

4. Обнаружено, что после отжига вольт-амперные характеристики исследовавшихся переходов при температурах выше 50 К с точностью до долей процента описывается резистивной моделью джозефсоновского перехода, что существенно упрощает оптимизацию параметров детекторов и спектрометров на основе этих переходов.

5. На основе модели, в которой причиной избыточного шума являются флуктуации критического тока 81с и флуктуации сопротивления перехода 8R„, показано, что в отожженных переходах с наклонными осями [001] флуктуации 81с и 8R„ полностью коррелированны, а их нормированные спектральные плотности равны, что позволяет сделать вывод о том, что механизмом транспорта сверхтока и квазичастиц является прямое туннелирование через одни и те же места барьера.

6. В рамках резистивной модели с учетом тепловых флуктуаций получена формула, связывающая величину скорости сканирования спектра при помощи частотно-селективного джозефсоновского детектора с относительной ошибкой измерения положения и амплитуды нечетно-симметричного резонанса, вызванного взаимодействием внешнего монохроматического излучения с джозефсоновской генерацией. Показано, что если относительная ошибка измерения положения и амплитуды частотно-селективного отклика не превышает 10*, а спектральное разрешение равно 1 ГГц, то можно достичь предельной скорости сканирования спектра

9,2-103 ТГц/сек.

7. Проведен численный расчет величины верхней границы динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора и предложен соответствующий критерий, согласующийся с численным расчетом. Согласно этому критерию величина динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора на основе YBa2Cu307.x бикристаллического перехода с наклонными осями [001] с сопротивлением 1 Ом варьируется от 56 до 62 дБ в терагерцовой области частот.

8. Впервые экспериментально исследован полный набор детекторных характеристик УВа2Сиз07.х бикристаллических переходов с наклонными осями [001]. На частоте 0,7 ТГц в диапазоне температур 53 - 75 К достигнуты значения вольт-ваттной чувствительности, NEP и динамического диапазона по мощности, равные (7±2)-104 В/Вт, (2,6±0,8)-10*13 Вт/Гц1/2 и 47±3 дБ, соответственно.

9. Экспериментально показано, что измеренные величины вольт-ваттной чувствительности и верхней границы динамического диапазона по мощности частотно-селективного детектора на основе УВагСиз07.х бикристаллических переходов с наклонными осями [001] с точность до ошибки эксперимента соответствовали предложенным теоретическим оценкам, базирующимся на резистивной модели. Таким образом, можно ожидать, что при более высоких частотах модуляции внешнего излучения или при использовании импульсных источников излучения, уже при азотных температурах детектора можно достигнуть предельные значения NEP около 5-10"15 Вт/Гц1/2 и динамического диапазона около 60 дБ.

10, Экспериментально подтверждено, что бикристаллические переходы с наклонными осями [001] имеют лучшие детекторные характеристики в терагерцовой области частот, чем бикристаллические переходы с вертикальными осями [001].

11. Продемонстрирована возможность использования бикристаллических переходов с наклонными осями [001] для терагерцовой Гильберт-спектроскопии полихроматического излучения газового лазера. Показано, что с помощью исследовавшихся переходов возможно измерение спектров в области частот до 3 ТГц за время 2 сек.

1. A. Frenkel, F. Gao, Y. Liu, J. F. Whitaker, C. Uher, S. Y. Hou and J. M. Phillips, Phys. Rev. В 54, 1355 (1996); В. Gorshunov, A.S. Prokhorov I. Spektor A. Volkov, Radiophysics and Quantum Electronics Vol. 48, p. 82530 (2005)

2. R. Shimano, Y. Ino, Yu. P. Svirko, and M. Kuwata-Gonokami, Appl. Phys. Lett. Vol. 81, p. 199 (2002); D. Grischkowsky, Soren Keiding, Martin van Exter and Ch. Fattinger, J. Opt. Soc. Am. В Vol. 7, p. 2006 (1990)

3. B. Ferguson, S. Wang, D, Gray, D. Abbott, X.-C. Zhang, Opt. Lett. 27,1312 (2002)

4. T.W. Crowe, T. Globus, D.L. Woolard, J.L. Hesler, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 362, 365 (2004)

5. S.W. Smye, J.M. Chamberlain, A.J. Fitzgerald, E. Berry. Phys. Med. Biol. 46, R101 (2001)

6. B. Ferguson, X.-C. Zhang, Nat. Mater. 1(1), 26 (2002)

7. T.G. Phillips, J. Keene, Proc. IEEE 80,1662 (1992)

8. D. Leisawitz, Proc. SPIE 4013,36 (2000)

9. J.W. Waters, L. Froidevaux, W.G. Read, G.L. Manney, L.S. Elson, D.A. Flower, R.F. Jarnot, R.S. Harwood, Nature 362, 597 (1993)

10. T.R. Globus, D.L. Woolard, A.C. Samuels, B.L. Gelmont, J. Hesler, T.W. Crowe, M. Bykhovskaia, J. Appl. Phys. 91,6106 (2002)

11. D. L. Woolard, T. R. Globus, B. L. Gelmont, M. Bykhovskaia, A. C. Samuels, D. Cookmeyer, J. L. Hesler, T. W. Crowe, J. O. Jensen, J. L. Jensen, and W. R. Loerop, Phys. Rev. E 65,051903 (2002)

12. M. Bykhovskaia, B. L. Gelmont, T. R. Globus, D. L. Woolard, A. C. Samuels, Ha-Duong, K. Zakrzewska, Theor. Chem. Acc. 106, 22 (2001)

13. P.M. Smith, S.-M.J. Liu, M.-Y. Kao, P. Ho, S.C. Wang, K.H.G. Duh, S.T. Fu, P.C. Chao, IEEE Microwave and Wireless Components Letters 5(7), 230 (1995)

14. W Hafez, M Feng, Appl. Phys. Lett. 86,152101 (2005)

15. D. Woolard, 11th Int. Space Therahertz Tech. Symp., 22-38 (2000)

16. Спектрометры IFS 66, IFS 125HR фирмы Bruker.

17. Спектрометр фирмы Agilent PSA E4448A с внешним смесителем.

18. F. Maiwald, S. Martin, J. Bruston, A. Maestrini, T. Crawford, P.H. Siegel, IEEE MTT S INTERNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST, vol. 3,1637 (2001)

19. K.P. Cheung, D.H. Auston, Infrared Phys. 26,23 (1986)20