Тепловой отклик приемников оптического излучения на основе ВТСП-болометров

Майрапетян, Армен Самвелович

Тепловой отклик приемников оптического излучения на основе ВТСП-болометров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Майрапетян, Армен Самвелович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Тепловой отклик приемников оптического излучения на основе ВТСП-болометров»

Автореферат диссертации на тему "Тепловой отклик приемников оптического излучения на основе ВТСП-болометров"

005001003

Майрапетян Армен Самвелович

ТЕПЛОВОЙ ОТКЛИК ПРИЕМНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВТСП - БОЛОМЕТРОВ

01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

7 Ш 2011

Москва 2011

005001003

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете

«МИФИ»

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Харитонов Владимир Степанович, НИЯУ МИФИ Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Зайченко Виктор Михайлович, заведующий лабораторией ОИВТ РАН

кандидат физико-математических наук Губкин Михаил Константинович, доцент кафедры

«Общая физика и ядерный синтез» МЭИ (ТУ) Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Государственный научный центр Российской Федерации Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского»

Защита состоится 14 декабря 2011 года в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.04 в НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ. Автореферат разослан «10» ноября 2011 года

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенном печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Ученый секретарь диссертационного совета, Г~7

д. ф.-м. н., профессор и и Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Болометр является детектором электромагнитного излучения, использующим зависимость электрического сопротивления от температуры для измерения поглощенной энергии. Одним из активно развивающихся направлений использования болометров является их применение в оптических каналах обмена информацией.

В большинстве оптических систем передачи в качестве приемника информации применяются лавинные фотодиоды, однако в последнее время появились работы о возможности использования для этой цели высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) болометров. К преимуществам их использования именно в этой области можно отнести низкую чувствительность к засветкам, радиационному облучению, электромагнитным импульсам. Температурные режимы (около 80 К), требующиеся ВТСП, легко достижимы с помощью криоку-леров, что позволяет получать необходимые массогабаритные характеристики приемника. Чувствительность и другие характеристики ВТСП-болометров определяются в значительной степени тепловыми процессами, проходящими в структуре ВТСП-пленка - подложка при воздействии импульсов лазерного излучения, которое используется в оптических системах передачи информации.

Это определяет необходимость изучения механизмов формирования теплового отклика ВТСП-болометра на поглощаемое излучение в условиях реального применения, поскольку проектирование болометра предполагает решение оптимизационной задачи по достижению необходимых эксплуатационных характеристик исходя из всех особенностей конструкции устройства.

С учетом изложенного, диссертационная работа, сориентированная на исследование теплового отклика высокотемпературных сверхпроводящих болометров на импульсное лазерное излучение, является актуальной.

Целью диссертационной работы явилось экспериментальное исследование и численное моделирование теплового отклика приемников оптического излучения на основе ВТСП-пленок из висмутовой керамики и разработка с ис-

пользованием полученных данных рекомендаций для улучшения их характеристик при применении в оптических системах связи.

Научная новизна диссертационной работы:

• Получены новые данные о топографии поверхности ВТСП-пленки ВьБг-Са-Си-О, приготовленной магнетронным распылением. Обнаружено, что пленка имеет структурированный характер с кристаллитами шириной 20 ... 50 нм и длиной 0,3...1,1 мкм.

• Получены новые опытные данные по характеристикам теплового отклика, а именно амплитуде и времени релаксации ВТСП-болометра на последовательность импульсов излучения лазера. Экспериментально доказано, что 10 лет эксплуатации и хранения в естественных условиях не существенно повлияли на динамические характеристики ВТСП-болометра на основе пленки ВьБг-Са-Си-О.

• Разработана новая расчетная модель теплового отклика болометрической структуры на воздействие последовательности импульсов лазерного излучения. Предложен алгоритм определения доли энергии излучения лазера, поглощаемой болометром, на основе данных экспериментов с импульсами большой скважности.

• С использованием разработанной модели численно исследовано влияние частоты импульсов лазера и характеристик болометра (толщины ВТСП-пленки, доли поглощаемого в ней излучения) на величину теплового отклика. Определены частотный диапазон работы исследованной болометрической структуры, ее вольт-ваттная чувствительность, эквивалентная мощность шумов и обнаружительная способность. Показано, что основные характеристики болометра, изготовленного на основе ВТСП-пленки из висмутовой керамики, не хуже, чем при использовании иттриевых керамик.

• Путем решения задачи о тепловой стабилизации ВТСП-болометра, нагруженного транспортным током, предложена методика, связывающая параметры болометрической структуры (свойства сверхпроводящей

пленки, термическое сопротивление структуры) и режимы ее работы (транспортный ток и температура стока тепла), при которых возможно получение максимальной амплитуды отклика в заданном диапазоне частоты следования импульсов оптического излучения.

• Впервые проведено расчетное исследование влияния неоднородностей структуры ВТСП-пленки, нагруженной транспортным током, на характеристики теплового отклика болометра. Установлено, что неоднородности сверхпроводящих свойств и дефекты поверхности пленки существенно влияют на распределение температур в болометрической структуре, при этом сама величина теплового отклика и частотный диапазон эффективной работы болометра практически не изменяются.

Практическая значимость работы определяется важностью полученных результатов для уточнения и развития моделей, предназначенных для расчета теплового отклика ВТСП-болометров на импульсное излучение передающего лазера. Помимо этого, разработанные рекомендации будут полезны при создании высокочувствительных датчиков на основе ВТСП для открытых оптических систем связи, быстродействующих тепловизоров и систем локации.

Достоверность полученных данных по определению характеристик теплового отклика ВТСП-болометра на последовательность импульсов инфракрасного излучения подтверждается отработкой методики в тестовых экспериментах, оценками величин погрешности измерений. Результаты расчетного исследования подтверждены сравнением с аналитическими решениями в предельных областях и экспериментальными данными. Исследование топографии поверхности ВТСП-пленки проведено с помощью прецизионного сканирующего туннельного микроскопа, что позволило получить подробную информацию о рельефе поверхности, размерах и ориентации кристаллитов.

Основные результаты, выносимые на защиту:

• Новые опытные данные по характеристикам теплового отклика ВТСП-болометра, а именно зависимости перегрева ВТСП-пленки на основе

висмутовой керамики, от времени для различных частот следования импульсов излучения лазера.

• Разработанные модель и методика, позволяющие рассчитать тепловой отклик и чувствительность болометрической системы на воздействие лазерным излучением в широком диапазоне частоты следования импульсов.

• Результаты расчетных исследований влияния неоднородностей структуры ВТСП-пленки на тепловой отклик болометра.

• Предложенная методика выбора характеристик ВТСП-болометров (транспортный ток, температура основания, диапазон работы по частоте), обеспечивающая их максимальный отклик на тепловые воздействия.

Личный вклад автора. Постановка задачи осуществлена совместно с научным руководителем. Изготовление образцов пленок и их структурное исследование выполнено совместно с сотрудниками кафедры компьютерного моделирования и физики наноструктур и сверхпроводников НИЯУ МИФИ. Экспериментальные исследования, расчеты и анализ результатов выполнены автором самостоятельно или в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы, докладывались на следующих конференциях и семинарах: 34-ое совещание по физике низких температур, Ростов-на-Дону, 2006 г.; Научные сессии МИФИ 2007 - 2009; Международная конференция «Телекоммуникационные системы и технологии», Харьков, 2008 г.; 2-ая Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях», Москва, 2009 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в 3-х статьях в реферируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 88 наименований. Содержание диссертации изложено на 118 страницах, включая 47 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулирована цель работы, отмечены новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор работ посвященных анализу возможностей использования ВТСП-болометров в открытых оптических системах передачи информации. Приведены физические характеристики ВТСП-пленок важные для их применения в качестве чувствительного элемента болометра. Рассмотрены модели, используемые для описания зависимости амплитуды отклика болометра от частоты передающего лазера и теплофизических параметров болометрической системы.

На основании анализа работ, посвященных упомянутым вопросам, сформулированы следующие основные выводы:

1. Практически все исследования проведены с пленками УВагСизО?^. Недостатком этого материала является его деградация при естественных условиях хранения, чувствительность к влаге. Висмутовые керамики, устойчивые к таким воздействиям, являются наиболее перспективным кандидатом для применения их в качестве чувствительного элемента ВТСП-болометров.

3. Отсутствуют данные по влиянию однородности ВТСП-пленки на характеристики тепловых процессов и режимы работы болометров.

4. Использование нелинейных тепловых моделей и, соответственно, численных расчетов является перспективным направлением и должно позволить определить характеристики теплового отклика ВТСП - болометра в широком диапазоне частоты следования импульсов лазерного излучения.

На основании сделанных выводов поставлены цели и задачи экспериментального и теоретического исследования.

Во второй главе диссертации описаны методики и результаты экспериментальных исследований структурных характеристик ВТСП-пленок.

Фазовый состав ВТСП-пленок исследовался с помощью метода рентгеновской дифракции на рентгеновских дифрактометрах «ДРОН-3». Состав пленок Bi-Sr-Ca-Cu-О подбирался от чистой фазы 2212 до смесей 2212 + 2223, то есть, образцы состояли из смеси B¡2Sr2CaCu2Ov и BÍ2Sr2Ca2Cu3Ov. Рентгеновская ди-фрактограмма одного из образцов, использованных для создания болометра, представлена на рис. 1.

1800-

с í400-£ s

1000-

1 600

U X

О)

^ 200 ^ 20

. 1 I-

* -1- I

} i 1 * 1 i

1 kj UW UAJ

Угол дифракции 20, град

фазы:* 2212,+ 2223

Рис. 1. Фрагмент дифрактограммы пленки Вь8г-Са-Си-0 с содержанием фазы 2212 - 20%, фазы 2223 - 70 %

Образцы пленок Вь8г-Са-Си-0 исследовались также в сканирующем туннельном микроскопе. Целью проводимых исследований было наблюдение рельефа поверхности, выявление наличия кристаллитов, определение их размеров, формы, направления роста. Исследования показали, что кристаллографическая решетка зерен в образцах присутствуют в явном виде (рис. 2).

Наблюдается горизонтальное расположение кристаллитов с преимущественной ориентацией в одном направлении. Были измерены размеры кристаллитов: 20-50 им, то есть это - нанокристаллы, обладающие примерно одинаковой формой по всему объему образца.

^шшш

шт

ТГП.....1 л

Рис. 2. Изображение поверхности пленки ВьЗг-Са-Си-О, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Размер области сканирования образца: 1,67x1,67x1 мкм"': а) 3-е/ изображение, 6) 2-е! изображение, по осям размеры приведены в нанометрах

Сама исследуемая болометрическая структура (рис. 3) представляла собой ВТСП-пленку, напыленную на подложку МаО магнетронным методом. На пленку методом термического испарения были нанесены четыре серебряных контакта для измерения сопротивления по четырехконтактной схеме и лазерным скрайбированием вырезан меандр. Площадь меандра 1,1x1,1 мм2, 11 периодов, ширина реза 5 мкм. ВТСП -пленка на подложке крепилась апизо-ном к сапфировой подложке, которая в свою очередь фиксировалась на медной матрице хладопровода криостата. Измеренные размеры слоев и теплофизиче-ские свойства материалов структуры, принятые на основании литературных данных, представлены в табл. 1.

В третьей главе диссертации описаны методики и результаты экспериментальных исследований электрофизических и теплофизических характеристик ВТСП-болометра.

Для исследования зависимости электрического сопротивления болометра от температуры и транспортного тока, а также характеристик теплового отклика болометрической системы на воздействие последовательностью импульсов лазерного излучения был собран измерительный стенд, структурная схема которого показана на рис. 4.

Сверхпроводящая пленка

Таблица 1

Размеры слоев и теплофизические свойства материалов болометрической структуры

№ Материал Толщина 8, м Теплопроводность А,, Вт/(м-К) Объемная теплоемкость (с-р), Дж/(м3-К)

1 Апизон 4-10"4 0,15 0,55-106

2 Сапфир 6-Ю"4 360 0,40-106

3 Апизон 10'4 0,15 0,55-10б

4 МяО 9-104 300 0,53-106

5 Вьвг-Са-Си-О 10"6 1,0 1,32-106

Измерение стационарных сигналов с ВТСП-болометра

Питание нагревателя

Измерение

температуры

хладопровода

1С I

:у 6.

^ ? л

! [О ".С

1 с j fc

iE!»

Питание ВТСП-болометра

Измерение теплового отклика ВТСП-болометра

• I

Синхронизация

Лазер

Генератор накачки

Генератор импульсов специальной формы

И К излучение Рис. 4. С груктурная схема измерительного стенда

Образец (болометрическая структура) укреплялся на медном хвостовике оптического криостата, внутренний объем которого заполнен жидким азотом. В медной матрице хладопровода в непосредственной близости от болометра располагались резистивный нагреватель и платиновый термометр. Стенд включает в себя:

- оптический криостат с установленными болометром, нагревателем и термометром;

- систему задания и измерения температуры хладопровода;

- систему генерации импульсов излучения лазера с управляемой частотой следования;

- систему питания ВТСП-болометра;

- систему измерения стационарных и нестационарных сигналов с образца.

В качестве источника излучения использовался лазер ИЛПИ-110 со следующими основными характеристиками: длительность импульсов 100 нс, мощность в импульсе 100 Вт, частота следования от 1 Гц до 10 кГц, длина волны излучения 820 - 850 нм.

Измерения температурной зависимости сопротивления ВТСП-пленки проводились для различных значений измерительного тока как в процессе нагрева, так и охлаждения. Рабочая точка болометра, то есть температура основания

хладопровода, задавалась в середине сверхпроводящего перехода. Для силы тока 0,5 мА в рабочем диапазоне температур чувствительность болометра составила около 1000 Ом/К (рис. 5).

На рис. 6 приведены зависимости теплового отклика болометра от времени для частот следования оптических импульсов в диапазоне от 1,5 до 8 кГц. Под тепловым откликом (перегревом) болометра понимается разница между текущей температурой ВТСП-пленки (Г) и ее минимальным значением в промежутках между импульсами лазера (Г)га{п. По результатам экспериментов среднее значение амплитуды перегрева ВТСП-пленки, (7)тах - (Г)т(„, не зависит от частоты и составляет 1,2-10К с погрешностью не более 25 %.

Рис. 5. Зависимость чувствительности бо- Рис. 6. График зависимости перегрева лометра от температуры основания хладо- болометра от времени для различных провода криистата для тока 0,5 мА частот следования импульсов лазера

Следует отметить, что постоянная времени релаксации болометра составила 17мкс. Это примерно соответствует значению, полученному в предварительных экспериментах после приготовления ВТСП-пленки более 10 лет назад.

Данные, полученные в ходе экспериментальных исследований, позволили развить и протестировать модель теплового отклика ВТСП-болометров.

В четвертой главе представлена расчетная модель теплового отклика болометрической структуры на воздействие последовательности импульсов ла-

зерного излучения. Приведено сравнение результатов расчета с данными экспериментов и исследовано влияние различных факторов на эффективность работы болометра.

Поскольку засветка лазером по поверхности пленки равномерна, то для исследуемой структуры рассматривается одномерная задача нестационарной теплопроводности. Считая, что поглощение падающего излучения можно представить в виде функции удельного объемного тепловыделения, qv¡{x,x), зависящей от времени и координаты, уравнения нестационарной теплопроводности запишутся в виде:

д г ах'

(1)

где индексы / относятся к различным слоям материалов, указанных в табл. 1, Координата х = О соответствует границе контакта хладопровода криостата и болометрической структуры. Граничными условиями являются: Г1(0,т) = Г0,

(2)

Эг(Г.,5.,т) ЭГ ,5,.,т)

х ».Ц^, 7 ^ при ¿=1 Д

Эх ох

дх

= 0.

Начальным условием является решение уравнений (1) и (2) при равных нулю частных производных по времени и усредненной на периоде функции тепУ,

ловыделения,то есть <?„(х) = /- {^у|(х,т)с1т.

Зависимость излучения лазера от времени аппроксимировалась тригонометрической функцией

О,

лт

<р,(х\ приу<т<у + 2т0,

к . к +1 при — + 2т„ <т<-,

/ /

где к = 0, 1,2, ..., То = 10 с.

В целях упрощения записи распределения тепловыделения от координаты принято, что доля излучения р = 0,6 поглощается в сверхпроводнике равномерно, а поглощение в слое подчиняется закону Бугера - Ламберта с характерной длиной XI = 10"5 м. Тогда, принимая во внимание условие нормировки, были получены следующие зависимости:

^-(5, +5, +53)

1- ; ЕХР

яМ=я.М=РзЫ=о> <Р>(*)=—-—

-1

ехр

,ф) = -г- (4)

л,

Интересующим результатом решения задачи является изменение средней температуры в слое сверхпроводника {Т5), а именно

(^НССГ^Мс!., (5)

Доля теплового потока излучения лазера, попадающего на поверхность болометра, определялась на основе экспериментальных данных о перегреве сверхпроводящего слоя относительно температуры основания в промежутках между импульсами. Линейный вид этой зависимости от частоты свидетельствовал об отсутствии влияния отклика предыдущего импульса на последующий для данного диапазона частот. Угловой коэффициент зависимости составил (5,0+ 1,3)-10~2 К/кГц. Тогда можно записать:

(6)

где /?терм,, - термическое сопротивление слоев болометрической структуры, а под средним тепловым потоком понимается

) = /' Г ('+8^+84+б5 (*, т) с! * с! т = ^ ■ т0 - / • (7)

Из решения стационарной задачи теплопроводности в соответствующих слоях получим:

Я = к _ГД+52)-Г2(5|)=52

^ (д,) V <9,)

_Г3(5,+82 +53)-7;(5|+62)_5з

Тл(8, +5, +5, +64)-Г4(8, +62 + 8,) _ 84

, ^ 3 (8)

_{7;)-7;(8|+81+гз+84) = р.8д (?,) з-х5

Это позволяет, на основании данных о коэффициенте в линейной аппроксимации зависимости перегрева сверхпроводящего слоя относительно температуры основания в промежутках между импульсами, определив значения термических сопротивлений слоев болометрической структуры, найти тепловой поток величина которого составила 1,45-105 Вт/м2.

На рис. 6 представлено сравнение результатов расчета по описанной модели теплового отклика болометра с данными экспериментального исследования. Видно их хорошее согласование.

С целью выяснения потенциальных возможностей болометрической структуры для регистрации сигналов при высоких частотах следования импульсов передающего лазера было предпринято дополнительное расчетное исследование. На рис. 7 приведены результаты расчетов теплового отклика болометра <Т5> - <75>11Ш, в зависимости от времени для различных частот следования лазерных импульсов вплоть до 5 МГц.

Вольт - ваттная чувствительность (рис. 8), рассчитывалась по следующей формуле

5 = иг;__(9)

йа V)

где АТ- амплитуда отклика, а ¿<2 - мощность излучения, попадающая на чувствительный элемент болометра. Вплоть до частоты 100 кГц чувствительность болометра остается практически постоянной и составляет 7,2-10"3 В/Вт, далее она медленно падает и при частоте следования импульсов излучения 2 МГц ее значение достигает 5,0-10"3 В/Вт.

(ПМГДл.нК 1,6

^„,В/Вт 0,01

Т, МКС

0,001

0,01 0,1 1 10

Рис. 7. Результаты расчетного исследования теплового отклика болометра в зависимости от времени для различных частот следования импульсов лазера

1 10 100 1000 />кГ«

Рис. 8. Вольт - ваттная чувствительность болометра от частоты следования импульсов лазерного излучения.

Эквивалентная мощность шумов, МЕР, рассчитывалась согласно следующему определению

ЫЕР = -

(10)

и,,,^ д/д/'

соответственно напряжение шума и полезного сигнала, а Д/-полоса пропускания измерительного устройства. Пороговые характеристики определяются при условии /С/с„тал = 1. В наихудшем случае тепловой отклик может быть зарегистрирован на уровне 0,5 мК, тогда Д/= 4 МГц, а ИЕР= 4,39-10~5 Вт-Гц"0,5. Обнаружительная способность (величина, обратная А(ЕР, умноженная на корень из активной площади приемника) равна 25 (Гц-м)°'5/Вт.

Полученные характеристики исследованной болометрической структуры соответствуют приведенным в литературе данным для пленок УВа2Сиз07.5.

Исследовался также вопрос о влиянии толщины ВТСП-пленки и доли поглощаемого в ней излучения на величину болометрического отклика. Проведенные расчеты показали, что изменение толщины ВТСП-пленки, при учете

изменения доли поглащаемого в ней излучения лазера, слабо влияет на частотные характеристики структуры.

В пятой главе диссертации представлен анализ работы ВТСП-болометра, нагруженного транспортным током. Чувствительность болометра к тепловым воздействиям определяется прежде всего амплитудой падения напряжения через ВТСП-пленку, которая в свою очередь зависит от силы тока. При этом необходимо учитывать эффекты, вызываемые Джоулевым тепловыделением в сверхпроводнике.

Для описания зависимости тепловыделения за счет Джоулева разогрева была выбрана трехзонная модель тепловыделения. В зависимости от температуры сверхпроводника рассмотрены три возможных состояния: сверхпроводящее, переходное и нормальное:

Р„оР„/ приГкрО' = 0)<Г,

Р норм 3

1--

тЛ]=0)-т,

при 1] + 1 --7

Ш.

при Г<Г( +

1--

Ы = 0)-Т,)<Т<Тк?(] = 0), (11)

Здесь ) - плотность транспортного тока в пленке, р„ор„ - удельное электрическое сопротивление в нормальном состоянии, ]кр {Т,) - критическая плотность тока ВТСП-материала при температуре Г,, Ткр (/' = 0) - критическая температура сверхпроводника, Г-средняя по объему температура сверхпроводника (Т5). Характеристики ВТСП-материала принимались на основании имеющихся в литературе данных для ВТСП-пленок 2212, а именно рнорм = КГ* Омм, ЛР (77 К) = 107 А/м2, Гкр (/ = 0) = 92 К.

Устойчивые состояния ВТСП-пленки, нагруженной транспортным током, в промежутках между импульсами излучения лазера находятся из уравнения теплового баланса и условия устойчивости

[^{Чо^(т)-чу,3„(Т,])-Чг(Г))>0, (12)

где q^^f) есть тепловой поток, определяемый по формуле (7), = >а Чахл (Г) ~ теплопередача к стоку тепла с температурой Т0

(13)

Использовался следующий подход при выборе рабочей точки ВТСП-болометра: температура основания 7о выбиралась в начале переходной области ВТСП-пленки при частоте /= 0, а сила тока устанавливалась таким образом, чтобы угол наклона кривой уноса тепла был выше, чем у кривой Джоулева тепловыделения, то есть —у"'—(X! )' ■ Последнее условие накладывает следующие ограничения на плотность тока и выбор температуры стока тепла:

^ =0)—7; ^

Рж^ЛфСО^Х^пф«

т +

(

2 _ 3 рай

кеи = о)-т)<т0<т и = о). (15)

М)

При выбранных согласно выражениям (14) и (15) плотности транспортного тока и температуре стока тепла максимальная частота импульсов лазера, до которой чувствительность болометра остается высокой, определяется по формуле (12) при ГКГ|(/ = 0)

, „ (Е^У'^О=°)-?;)-р„орм./рал / <-. (16)

На рис. 9 представлены стационарные состояния болометрической системы при значениях ^/?терм и 83, соответствующих исследованной болометрической структуре. Расчет стационарных состояний произведен для Ураб = 3,7-106 А/м2 и температуры основания Т0 = 86,5 К.

с/, Вт/м2

Рис. 9. Устойчивые состояния болометра, нагруженного транспортным током:

То = 86.5 К; ) = 3,7-106 Мм2: £ =3,45-10"3 (м2- К)/Вт

Для исследования влияния Джоулева тепловыделения на амплитуду теплового отклика был проведен расчет по описанной ранее модели, при этом к функции тепловыделения в слое 5 добавлялось слагаемое (11). Выполненный расчет показал, что температура {Т5)тт устанавливается в полном соответствии

с выражением (12), а полученная зависимость перегрева ВТСП-пленки от времени практически совпадает с соответствующим расчетом, представленным на рис. 7. Выигрыш при регистрации отклика достигается лишь за счет увеличения падения напряжения через ВТСП-пленку, которое пропорционально силе тока.

Следует отметить, что при изготовлении самой пленки, формировании меандра, в процессе эксплуатации возможно появление локальных неоднородно-стей как в виде областей со сверхпроводящими свойствами пленки, существенно отличающимися от средних, так и неоднородностями геометрического характера (например локальное уменьшение толщины). Было проведено расчетное исследование влияния таких неоднородностей на отклик болометрической структуры. Рассматривалась ситуация, когда в ВТСП-пленке имеет место неоднородность сверхпроводящих свойств. Дефект представлял собой область, перекрывающую все сечение одной из полосок меандра. В пределах этой области удельное электрическое сопротивление пленки равно рнорм (рис. 10).

В такой постановке задача похожа на описанную ранее выражениями (1 - 4), за исключением члена тепловыделения

!?„■(*>т) при г = 1...4,

дг1 (х, у, г) =

(17)

[^5(х,т) + ^м(у,Г5) при / = 5, где qчi{x,т) записывается согласно формуле (3), м(у,7*5) = ршр>1/ при

I .

и по формуле (11) для остальных значений у. Расчеты проводи-

——<у <

Деф

лись при плотности транспортного тока _/ра6 = 3,7-106 А/м2, температуре основания Г0 = 86,5 К, частоте следования импульсов лазерного излучения /= 10 кГц и размерах дефекта от 0 % до 5 % от /.

Результатами решения задачи явилось падение напряжения

] 2

где {Т5)(у,т)=±-$2^Т5{х,у,т)й х.

(18)

~д1 111 ]г

• 2 х'ч'ч'ч'ч'х V

1 - --1-1-—-

0,4-,

0,3-

0,2-

в, 0,1 -

Т, МКС

Рис. 11. Зависимость амплитуды отклика перепада напряжения через болометр от време-

Рис. 10. Расчетная область для исследования влияния локальных неоднородно-стей сверхпроводящих свойств ВТСП- ни для различных размеров дефекта: 1№ф =0; пленки на отклик болометрической 0,5; 2,5 и 5 %1 структуры. Длина пленки /=1,1 мм. Обозначения слоев и их толщины 5, соответствуют табл. 1

Проведенные расчеты зависимости теплового отклика от времени при различных размерах дефекта практически совпадают с полученными ранее. Это объясняется малой величиной амплитуды подогрева, что, в свою очередь, оказывает слабое влияние на разогрев за счет Джоулева тепловыделения. То есть влияние дефекта на температуру пленки ограничивается ее температурой в промежутках между импульсами (Г5)п™. Зависимость перепада напряжения от времени представлена на рис. 11. Учитывая, что тепловой отклик для пленки с дефектом и без него практически не изменился, а удельное электрическое сопротивление линейно зависит от температуры, падение амплитуды перепада напряжения соответствует размерам дефекта.

Примером геометрического дефекта может служить локальное уменьшение толщины ВТСП-пленки. На практике длина такого дефекта весьма мала, зато глубина может быть значительной. В этом случае слагаемое тепловыделения в уравнениях нестационарной теплопроводности будет записываться с учетом локального изменения плотности транспортного тока и поглощения излучения. Расчеты проводились при длине дефекта 1 % от одной полоски меандра и глубины от 10 % до 90 % от толщины пленки. Анализ результатов исследования показал, что хотя наличие такого дефекта оказывает сильное влияние на общий уровень рабочих температур и падения напряжения через болометр, отклик практически не изменяется.

Основные выводы

1. Установлено, что пленка, приготовленная магнетронным распылением, имеет структурированный характер. Исследование топографии поверхности ВТСП-пленки В1-8г-Са-Си-0 позволило получить информацию о наличии кристаллитов, их размерах, форме и направлении роста: расположение кристаллитов горизонтальное, преимущественно ориентированы в одном направлении, ширина 20 ... 50 нм, длина 0,3... 1,1 мкм.

2. Проведено экспериментальное исследование характеристик теплового отклика ВТСП - болометра на последовательность импульсов излучения

лазера в диапазоне следования от 1 кГц до 10 кГц и получены зависимости перегрева ВТСП - пленки от времени. Установлено, что более чем через 10 лет после создания и хранения в естественных условиях постоянная времени релаксации приемного элемента на основе пленки ВьБг-Са-Си-0 практически не изменилась и составила 17 мкс.

3. На основе экспериментальных данных развита и протестирована расчетная модель теплового отклика болометрической структуры. Численным моделированием теплового отклика ВТСП-болометра на воздействие последовательности импульсов излучения лазера в широком диапазоне частот установлено:

• вплоть до частоты 100 кГц чувствительность болометра остается практически постоянной и составляет не менее 7,2-10'3 В/Вт, далее она медленно падает и при частоте следования импульсов излучения 2 МГц ее значение достигает 5,0-10"3 В/Вт;

• абсолютные значения чувствительности, полученные для ВТСП-пленок на основе висмутовой керамики, согласуются с приведенными в литературе данными для итгриевых пленок;

• отношение поглощенной чувствительным элементом мощности из-

лучения к квадратному корню из частотного диапазона, то есть эквивалентная мощность шумов, составила 4,39-10"5 Вт-Гц 0'5, а обна-ружительная способность 25 (Гц-м)0,5/Вт;

• толщина ВТСП - пленки при учете доли поглощаемого в ней излу-

чения лазера слабо влияет на частотный диапазон работы болометра;

4. Проведением расчетного исследования влияния неоднородностей сверхпроводящих свойств ВТСП - пленки, нагруженной транспортным током, и дефектов ее поверхности на характеристики теплового отклика болометра, показано, что во всех случаях амплитуда теплового отклика практически не изменяется, влияние сказывается лишь на амплитуде падения напряжения через болометр и общем уровне температур структуры.

5. Исходя из условий тепловой стабилизации сверхпроводящих пленок, предложены рекомендации по выбору рабочих характеристик ВТСП-болометров, нагруженных транспортным током. Получены зависимости, связывающие характеристики болометрической структуры и ВТСП -материала с плотностью транспортного тока и температурой стока тепла. Предложено соотношение, ограничивающее частотный диапазон эффективной работы болометра.

Основные публикации по теме диссертации

1. Антоненко C.B., Коротков Д.П., Майрапетян A.C. Разработка макетного образца оптического канала связи с приемным элементом на основе ВТСП-болометра II В сб.: Труды 34-го совещания по физике низких температур (HT 34). Т. 2. Ростов-на-Дону, 26-30 сент. 2006 г., Изд-во РГПУ. С. 260.

2. Майрапетян A.C., Харитонов B.C. Тепловой расчет макетного образца ВТСП болометра // В сб.: Труды научной сессии МИФИ-2007. М.: МИФИ, 2007. Т. 4. С. 85-88.

3. Антоненко C.B., Коротков Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C. Экспериментальные исследования тепловой релаксации ВТСП болометра // В сб.: Труды научной сессии МИФИ-2008. М.: МИФИ, 2008. Т. 4. С. 110-111.

4. Коротков Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C. Исследование тепловой релаксации ВТСП болометра при воздействии оптических импульсов малой скважности // В сб: Науч. труды междунар. конф. «Телекоммуникационные системы и технологии», Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ. 2008. Т. 2. С. 184-185.

5. Антоненко C.B., Коротков Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C. Исследование теплового отклика ВТСП болометра при воздействии оптических импульсов малой скважности // В сб.: Аннотации докладов научной сессии МИФИ-2009. М.: МИФИ, 2009. Т. 4. С. 110-111.

6. Антоненко C.B., Короткое Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C., Толкачева С.М. Исследование ВТСП Bi-Sr-Ca-Cu-0 наноструктурированных болометров» // В сб.: Тезисы докладов 2-ой Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехноло-гиях» М: МИФИ, 2009. С. 252-253.

7. Антоненко C.B., Короткое Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C., Толкачева С.М. Исследование наноструктурированных ВТСП болометров после 10 лет хранения // Нанотехника. 2009. № 2 (18). С. 78-80.

8. Антоненко C.B., Короткое Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C., Толкачева С.М. Изучение болометрического отклика приемных элементов на основе наноструктурированных ВТСП пленок // Поверхность. Рентгеновские синхротронные н нейтронные исследования. 2010. № 1. С. 24-26.

9. Антоненко C.B., Лаврухин A.A., Майрапетян A.C., Харитонов B.C. Моделирование теплового отклика приемных элементов болометров на основе ВТСП // Естественные и технические науки. 2010. №4. С. 33-40.

Подписано в печать 07.11.2011. Формат 60x84 1/16. Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №358. Типография НИЯУ МИФИ. 115409, г. Москва, Каширское ш., 31

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Майрапетян, Армен Самвелович

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОВОГО ОТКЛИКА ВТСП - БОЛОМЕТРОВ.

1.1. Болометрические элементы на основе высокотемпературных сверхпроводников.

1.2. Результаты экспериментальных исследований теплового отклика ВТСП - болометров.

1.3. Моделирование теплового отклика ВТСП - болометров

1.3.1 Модели, основанные на электрической аналогии.

1.3.2 Аналитические решения.

1.3.3 Результаты численного моделирования теплового отклика.

ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 2. СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ВТСП-ПЛЕНОК.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО ОТКЛИКА ВТСП - БОЛОМЕТРА.

3.1. Экспериментальная установка.

3.2. Рабочий участок.

3.3. Результаты измерения теплового отклика ВТСП - болометра на последовательность импульсов излучения лазера.

ГЛАВА 4. РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО ОТКЛИКА БОЛОМЕТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ РАБОТЫ ВТСП - БОЛОМЕТРА, НАГРУЖЕННОГО ТРАНСПОРТНЫМ ТОКОМ.

5.1. Выбор рабочих характеристик ВТСП - болометров, нагруженных транспортным током.

5.2. Влияние локальных неоднородностей на тепловой отклик ВТСП - болометров.

Введение диссертация по физике, на тему "Тепловой отклик приемников оптического излучения на основе ВТСП-болометров"

Болометр (греч. bole - луч и metreo - мера) является детектором электромагнитного излучения, использующим зависимость электрического сопротивления от температуры для измерения поглощенной энергии. Он может служить для измерения мощности интегрального излучения, а вместе со спектрометром и для измерения его спектрального состава.

Впервые болометр был использован астрономом и физиком, а также пионером авиации, Самуэлем Пирпонтом Лэнгли в 1878 году [1,2]. Прибор (рис. 1) фокусировал луч света на тонкой полоске зачерненого железа, а для регистрации изменения сопротивления применялся мост Уитсона, который балансировался в отсутствии засветки. Комбинируя болометр с призмой, Лэнгли измерял энергетический спектр Солнца и других источников излучения. Известно, что он интересовался «невидимым тепловым», то есть инфракрасным излучением. До сих пор болометры остаются основным инструментом инфракрасной спектрометрии.

В целях увеличения чувствительности ученые начали охлаждать болометры до криогенных температур, что привело к замене их чувствительных элементов - металлов на полупроводники, а далее, на сверхпроводники.

Рис. 1 Первый болометр С.П. Лэнгли [1].

Первый сверхпроводящий болометр был изготовлен в 1942 году [3]. В качестве термочувствительного элемента в нем использовалась танталовая проволока поддерживаемая при температуре перехода 3,2 К. Годом начала производства современных сверхпроводящих болометров можно считать 1977. Болометр, изготовленный авторами работы [4], состоял из сапфировой подложки 4x4 мм на которую была напылена сверхпроводящая алюминиевая пленка (чувствительный элемент) и пленка из висмута для улучшения поглощения инфракрасного излучения. Такая конструкция позволяла регистрировать сигнал на уровне 10~15 Вт с отношением сигнал/шум единица при времени осреднения порядка 1 секунды. Дальнейший прогресс в изготовлении сверхпроводящих болометров связан с применением микро- и нано-технологий, который позволили уменьшить объем устройства, соответственно повышая его чувствительность, другие характеристики. Прогресс в технологии изготовления позволил не только изготавливать чувствительные элементы для инфракрасной спектрометрии размерами меньше длины волны [5], но и объединять их в массивы [6, 7].

Практически с начала открытия высокотемпературной сверхпроводимости новые материалы начинают казаться привлекательными для их использования в качестве чувствительных элементов болометрических устройств [8]. Однако удобство работы при высоких рабочих температурах, порядка 80 К, компенсируется уменьшением чувствительности по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками. В настоящее время использование высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в болометрических устройствах остается предметом активных исследований.

Астрономия, а именно инфракрасная спектрометрия, является самой обширной, но не единственной областью использования болометров. В качестве высококачественных датчиков излучения они применяются тепловизорах, каналах связи, образцовых ваттметрах, везде, где необходимо измерение малых мощностей излучения.

В настоящее время одним из бурно развивающихся направлений использования болометров является их применение в оптических каналах обмена информацией (оптические системы передачи информации, ОСП). Принципиальная схема таких систем передачи сигналов приведена на рис. 2.

Рис. 2 Открытая оптическая система связи: 1 - источник света; 2, 3 - объективы; 4 - фотоприемник.

В ряде работ [9, 10] рассматриваются различные подходы к проблеме выбора технологии и оборудования, а также способы их решения. В настоящее время в линиях оптической связи наиболее широко используется ближний (0,75 - 2 мкм) и средний (2 - 20 мкм) инфракрасные диапазоны. Средой распространения сигнала могут быть свободное пространство, атмосфера, вода и оптические волноводы. ОСП имеют потенциально высокую пропускную способность и помехозащищенность и, как следствие, высокую степень защиты информации и живучесть. Кроме того, ни в одной стране мире не требуется получение разрешения для их использования. Анализ особенностей построения и функционирования таких систем позволяет сформулировать возможные направления их внедрения [11]:

• абонентские линии связи;

• линии связи внутри объектов;

• сетки линий в локальных вычислительных сетях;

• релейные вставки для преодоления преград (с применением волноводов); связь между ретрансляторами на самолетах или космических аппаратах;

• линии связи космический аппарат - подводный объект;

• связь между кораблями флота (в первую очередь военно-морского).

Первые опыты с ОСП начались в 1962 году в США, а первый эксперимент, подтверждающий возможность функционирования таких линий связи был выполнен специалистами NASA в 1968 году во время полета корабля «Джеминай». В СССР опытная оптическая телефонная линия функционировала с 1966 года. Работы по созданию ОСП с подводными аппаратами проводятся в разных странах с начала 1970 годов, натурные испытания с 1990. Несмотря на то, что в основном все работы являются закрытыми, можно привести типичные тактико-технические характеристики средств связи оптического диапазона, предназначенных для организации связи с подводными объектами (табл. 1).

В большинстве ОСП в качестве приемника информации обычно используются лавинные фотодиоды, однако в последнее время появились работы о возможности использования и высокотемпературных сверхпроводниковых болометров [12]. К преимуществам их использования именно в этой области можно отнести низкую чувствительность к засветкам, перегревам, радиационному облучению, электромагнитным импульсам [13, 14]. При этом температурные режимы, требующиеся ВТСП - болометрам, легко достижимы с помощью криокулеров, что позволяет достигнуть необходимые массогабаритные характеристики приемника.

Основные характеристики ОСП Таблица 1 космический аппарат - подводный объект [9].

Рабочие длины волн, мкм 0,81-0,87

Средняя излучаемая мощность, мВт 50

Скорость передачи информации Мбит/с на канал 1 - 120

Диаметр антенны геостационарного спутника, м 0,35

Диаметр антенны низкоорбитального спутника, м 0,2

Ошибка наведения динамическая/статическая, мкрад 0,3/0,5

Вероятность ошибочного приема символа 10"6

Расчетная дальность связи, км 45000

Актуальность темы диссертации

К настоящему времени известны многочисленные исследования оптических, теплофизических и сверхпроводниковых свойств ВТСПпленок, например [8, 15-17]. Выводы авторов проведенных исследований подчеркивают актуальность изучения механизмов формирования теплового отклика ВТСП - болометра на поглощаемое излучение в условиях реального применения, поскольку проектирование болометра предполагает решение оптимизационной задачи по достижению необходимых эксплуатационных характеристик, исходя из всех особенностей конструкции устройства. Только таким образом возможно создать приемник теплового излучения на основе ВТСП с улучшенными параметрами.

С учетом изложенного, диссертационная работа, сориентированная на исследование теплового отклика высокотемпературных

11 сверхпроводящих болометров на импульсное лазерное излучение, является актуальной.

Цели и задачи исследования Целью диссертационной работы явилось экспериментальное исследование и численное моделирование теплового отклика приемников оптического излучения на основе ВТСП - пленок из висмутовой керамики и разработка с использованием полученных данных рекомендаций для улучшения их характеристик при применении в оптических системах связи.

Научная новизна работы

• Получены новые данные о топографии поверхности ВТСП -пленки Вь8г-Са-Си-0, приготовленной магнетронным распылением. Обнаружено, что пленка имеет структурированный характер с кристаллитами шириной 20 . 50 нм и длиной 0,3. 1,1 мкм.

• Получены новые опытные данные по характеристикам теплового отклика, а именно амплитуде и времени релаксации ВТСП -болометра на последовательность импульсов излучения лазера. Экспериментально доказано, что 10 лет эксплуатации и хранения в естественных условиях не существенно повлияли на динамические характеристики ВТСП-болометра на основе пленки В1-8г-Са-Си-0.

С использованием разработанной модели численно исследовано влияние частоты импульсов лазера и характеристик болометра (толщины ВТСП-пленки , доли поглощаемого в ней излучения) на величину теплового отклика. Определены частотный диапазон работы исследованной болометрической структуры, ее вольт-ваттная чувствительность, эквивалентная мощность шумов и обнаружительная способность. Показано, что основные характеристики болометра, изготовленного на основе ВТСП -пленки из висмутовой керамики, не хуже, чем при использовании иттриевых керамик.

Путем решения задачи о тепловой стабилизации ВТСП -болометра, нагруженного транспортным током, предложена методика, связывающая параметры болометрической структуры (свойства сверхпроводящей пленки, термическое сопротивление структуры) и режимы ее работы (транспортный ток и температура стока тепла), при которых возможно получение максимальной амплитуды отклика в заданном диапазоне частоты следования импульсов оптического излучения.

Впервые проведено расчетное исследование влияния неоднородностей структуры ВТСП - пленки, нагруженной транспортным током, на характеристики теплового отклика болометра. Установлено, что неоднородности сверхпроводящих свойств и дефекты поверхности пленки существенно влияют на распределение температур в болометрической структуре, при этом сама величина теплового отклика и частотный диапазон эффективной работы болометра практически не изменяются.

Автор защищает

Новые опытные данные по характеристикам теплового отклика

ВТСП - болометра, а именно зависимости перегрева ВТСП

13 пленки на основе висмутовой керамики, от времени для различных частот следования импульсов излучения лазера.

• Разработанные модель и методику, позволяющие рассчитать тепловой отклик и чувствительность болометрической системы на воздействие лазерным излучением в широком диапазоне частоты следования импульсов.

• Результаты расчетных исследований влияния неоднородностей структуры ВТСП - пленки на тепловой отклик болометра.

• Предложенную методику выбора характеристик ВТСП -болометров (транспортный ток, температура основания, диапазон работы по частоте), обеспечивающая их максимальный отклик на тепловые воздействия.

Практическая значимость Практическая значимость работы определяется важностью полученных результатов для уточнения и развития моделей, предназначенных для расчета теплового отклика ВТСП - болометров на импульсное излучение передающего лазера. Помимо этого, разработанные рекомендации будут полезны при создании высокочувствительных датчиков на основе ВТСП для открытых оптических систем связи, быстродействующих тепловизоров и систем локации.

Обоснованность и достоверность

Результаты расчетного исследования подтверждены сравнением с аналитическими решениями в предельных областях и

14 экспериментальными данными. Исследование топографии поверхности ВТСП - пленки проведено с помощью прецизионного сканирующего туннельного микроскопа, что позволило получить подробную информацию о рельефе поверхности, размерах и ориентации кристаллитов.

Апробация

Материалы диссертационной работы, докладывались на следующих конференциях и семинарах: 34-ое совещание по физике низких температур, Ростов-на-Дону, 2006 г.; Научные сессии МИФИ 2007 -2009; Международная конференция «Телекоммуникационные системы и технологии», Харьков, 2008 г.; 2-ая Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях», Москва, 2009 г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в 3-х статьях в реферируемых журналах из перечня ВАК.

1. Антоненко C.B., Короткое Д.П., Майрапетян A.C. Разработка макетного образца оптического канала связи с приемным элементом на основе ВТСП-болометра // В сб.: Труды 34-го совещания по физике низких температур (HT 34). Т. 2. Ростов-на-Дону, 26-30 сент. 2006 г., Изд-во РГПУ. С. 260.

4. Коротков Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C. Исследование тепловой релаксации ВТСП болометра при воздействии оптических импульсов малой скважности //В сб: Науч. труды междунар. конф. «Телекоммуникационные системы и технологии», Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ. 2008. Т. 2. С. 184-185.

6. Антоненко C.B., Коротков Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C., Толкачева С.М. Исследование ВТСП Bi-Sr-Ca-Cu-O наноструктурированных болометров» // В сб.: Тезисы докладов 2-ой Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» М: МИФИ, 2009. С. 252-253.

7. Антоненко C.B., Коротков Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C., Толкачева С.М. Исследование наноструктурированных ВТСП болометров после 10 лет хранения // Нанотехника. 2009. № 2 (18). С. 78-80.

8. Антоненко C.B., Коротков Д.П., Майрапетян A.C., Харитонов B.C., Толкачева С.М. Изучение болометрического отклика приемных элементов на основе наноструктурированных ВТСП пленок // Поверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. 2010. № 1. С. 24-26.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 88 наименований. Содержание диссертации изложено на 118 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков и 4 таблицы к основному тексту.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Представленный обзор литературы позволяет сделать следующие выводы:

1. В настоящее время имеется достаточно большое количество работ посвященных исследованию теплового отклика болометров с ВТСП-пленкой в качестве чувствительного элемента. Однако, практически все исследования проведены с пленками УВа2Си307.5. Недостатком этого материала является его деградация при естественных условиях хранения, высокая чувствительность к влаге, что ограничивает возможности применения таких пленок. Этого недостатка лишены висмутовые керамики. Технология изготовления ВТСП - пленок на основе В128г2СаСи208+5 и В128г2СаСи3Ою+5 непрерывно совершенствуется и именно они являются наиболее перспективным кандидатом для применения в качестве чувствительного элемента ВТСП — болометров.

2. Большинство опубликованных работ описывают экспериментальные и теоретические исследования теплового отклика на модулированное излучение лазерного диода. Для оптических систем передачи данных основной характеристикой болометра является отклик на последовательность импульсов оптического излучения одинаковой мощности и длительности в зависимости от частоты их следования. По работам, посвященным исследованиям болометрического отклика на одиночный импульс лазера, можно сделать вывод о том, что эта характеристика должна сильно отличаться от имеющихся данных по исследованиям с модулированным излучением.

3. Аналитические решения, описывающие процесс распространения тепла в болометрической системе при воздействии на нее импульсом излучения лазера, полезны в первую очередь для проведения измерений теплофизических характеристик болометров. Использование нелинейных тепловых моделей и, соответственно, численных расчетов является перспективным направлением и должно позволить определить характеристики теплового отклика ВТСП - болометра на последовательность импульсов оптического излучения в широком диапазоне частоты следования.

4. Отсутствуют данные по влиянию различных факторов, а именно толщины ВТСП-пленки, ее однородности, на характеристики нестационарных тепловых процессов и режимы работы болометров.

На основании сделанных выводов поставлены следующие задачи исследования:

1. Провести систематическое экспериментальное исследование теплового отклика ВТСП - болометра на основе пленки ВіБгСаСиО на последовательность импульсов излучения лазера.

2. На основе полученных экспериментальных данных предложить расчетную модель теплового отклика болометрической структуры и методами численного моделирования исследовать влияние частоты импульсов лазера и характеристик болометра на амплитуду отклика. Провести расчетное исследование влияния неоднородностей структуры ВТСП - пленки нагруженной транспортным током на характеристики теплового отклика болометра.

3. Разработать методику, позволяющую связать параметры болометрической структуры, нагруженной транспортным током, с режимами ее работы, при которых возможно получить максимальную амплитуду отклика в заданном диапазоне частоты следования импульсов оптического излучения.

Туннельная микроскопия уже давно вошла в научный арсенал как один из прецизионных инструментов для изучения структуры поверхности проводящих материалов. Однако исследований в этой области, особенно топографии поверхности ВТСП пленок, как показывает анализ литературы достаточно мало.

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа, СТМ, довольно прост, но кардинально отличается от иных методик, применяющихся в физике поверхности. Он основан на хорошо известном в квантовой механике принципе туннелирования электронов через диэлектрический барьер в системе металл - диэлектрик - металл (полупроводник) (рис. 2.2).

Если электроды находятся под одним потенциалом, то система пребывает в термодинамическом равновесии, и уровни Ферми электродов совпадают.

При подаче разности потенциалов ток в такой системе может появиться уже при малых напряжениях и малых расстояниях, когда форма барьера практически не меняется (рис. 2.3 а), либо в результате

Ф. положение уровня Ферми

Уровень вакуума

Ф* металл диэлектрик метал

Рис. 2.2 Энергетические уровни в системе металл-диэлектрик-металл (МДМ) в состоянии равновесия при отсутствии смещения.

Уровень вакуума

Уровень вакуума 1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что пленка, приготовленная магнетронным распылением, имеет структурированный характер. Исследование топографии поверхности ВТСП - пленки Вь8г-Са-Си-0 позволило получить информацию о наличии кристаллитов, их размерах, форме и направлении роста: расположение кристаллитов горизонтальное, преимущественно ориентированы в одном направлении, ширина 20 . 50 нм, длина 0,3. 1,1 мкм.

2. Проведено экспериментальное исследование характеристик теплового отклика ВТСП - болометра на последовательность импульсов излучения лазера в диапазоне следования от 1 кГц до 10 кГц и получены зависимости перегрева ВТСП - пленки от времени. Установлено, что более чем через 10 лет после создания и хранения в естественных условиях постоянная времени релаксации приемного элемента на основе пленки Вь8г-Са-Си-0 практически не изменилась и составила 17 мкс.

• вплоть до частоты 100 кГц чувствительность болометра остается практически постоянной и составляет не менее 7,2-10"3 В/Вт, далее она медленно падает и при частоте следования импульсов излучения 2 МГц ее значение достигает 5,0-10"3 В/Вт;

• абсолютные значения чувствительности, полученные для ВТСП - пленок на основе висмутовой керамики, согласуются с приведенными в литературе данными для иттриевых пленок;

• отношение поглощенной чувствительным элементом мощности излучения к квадратному корню из частотного диапазона, то есть эквивалентная мощность шумов, составила 4,39-10"5 Вт-Гц"0'5, а обнаружительная способность 25 (Гц-м)°'5/Вт;

• толщина ВТСП - пленки при учете доли поглощаемого в ней излучения лазера слабо влияет на частотный диапазон работы болометра;

5. Исходя из условий тепловой стабилизации сверхпроводящих пленок, предложены рекомендации по выбору рабочих характеристик ВТСП - болометров, нагруженных транспортным током. Получены зависимости, связывающие характеристики болометрической структуры и ВТСП - материала с плотностью транспортного тока и температурой стока тепла. Предложено соотношение, ограничивающее частотный диапазон эффективной работы болометра.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Майрапетян, Армен Самвелович, Москва

1. Langley S.P. The bolometer//Nature, 1881. Vol. 25. p. 14-16.

2. Loettgers. A. Samuel Pierpont Langley and his contributions to the empirical basis of black-body radiation // Phys. Perspect., 2003. Vol. 5, p. 262-280.

3. Andrews D.H., Brucksch W.F., ZieglerW.T. and Blanchard E.R. Attenuated Superconductors I. For Measuring Infra-Red Radiation // Review of Scientific Instruments, 1942. Vol. 13, p. 281-292.

4. Clarke J., Richards P.L. and Yeh N.H. Composite superconducting transition edge bolometer // Appl. Phys. Lett., 1977. Vol. 30, p. 664666.

5. Hwang T.L., Schwarz S.E. and RutledgeD.B. Microbolometers for infrared detection // Appl. Phys. Lett., 1979. Vol. 34, p. 773-776.

6. Chervenak J.A., Irwin K.D., Grossman E.N., Martinis J.M., Reintsema C.D. and Huber M.E. Superconducting multiplexer for arrays of transition edge sensors // Appl. Phys. Lett., 1999. Vol. 74, p. 4043-4045.

7. Richards P.L., Clarke J., Leoni R., Lerch Ph., Verghese S., Beasley M.R., Geballe T.H, Hammond R.H., Rosenthal P. and Spielman S.R. Feasibility of the high Tc superconducting bolometer // Appl. Phys. Lett., 1989. Vol. 54, p. 283-285.

8. Яременко Ю.И. Применение открытых оптических систем передачи в сетях связи // ИНФОРМОСТ: Радиоэлектроника и

9. Телекоммуникации, 2005. № 1 (37), с. 35-42.109

10. Коротков Д.П. Оптические системы связи и управления на основе ВТСП болометра и на базе полупроводниковых элементов, дисс. . кандидата технических наук: 05.13.05, Москва, 2008. 119 с.

11. Антоненко C.B., Брызгунов К.В., Жучков В.Е. Исследование облученных пленок Bi-Sr-Ca-Cu-0 фазового состава 2212 в процессе температурного отжига и под воздействием переменного тока // СФХТ. 1995, Т.8., № 1, с. 81-88.

12. М.Антоненко C.B., Коротков Д.П. Разработка макетного образца оптического канала связи с приемным элементом на основе ВТСП-болометра // Известия РАН. Сер. физ., 2007. Т. 71., № 8, с. 11311132.

13. Brasunas J.C., Moseley S.H., LakewB., Sauvageau J.E. Construction and performance of a thin-film transition-edge, high-temperature-superconductor composite bolometer // J. Appl. Phys. Lett., 1989. Vol. 15, № 3. p.162-173.

14. Richards P. L., Verghese S., Geballe T. H., Spielman S. R. The high-rc superconducting bolometer // IEEE Trans on Magn., 1989. Vol. 25, № 2. p. 1335-1338.

15. Гапонов C.B. Сверхпроводящие пленки для микроэлектроники // Наука в СССР, 1989. № 2, с. 15-17.

16. Бандурян Б.Б., Гапонов C.B., Дмитренко И.М., Ефременко В.Г.,

17. Красильник З.Ф., Климов А.Ю., Лаврешин В.Ю., Павельев Д.Г.,

18. Чурин А.Ю., Шустакова Г.В. Болометрические и шумовые110свойства ВТСП структур // Физика низких температур, 1990. Т. 16., № 1, с. 70-79.

19. Батрак А.Г., Нечипоренко И.Н., Федорченко Л.И. Сверхпроводимость соединений Ba2(Yl-x x)Cu307-y // Физика низких температур, 1988. Т. 14., № 4, с. 435-437.

20. Веркин Б.И., Бандурян Б.Б., Бондаренко А.В. и др. Болометрические свойства монокристаллов YBa2Cu3Ox // Физика низких температур, 1988. Т. 14., № 7, с. 705-709.

21. Нефедов В.И., Соколов А.Н. Деградация высокотемпературных сверхпроводников при химических воздействиях // Журн. неорган, химии., 1989. Т.34, N 11. с. 2723-2739.

22. Chu C.W., Bechtold J., Gao L., HorP.H., HyangZ.J. Superconductivity up to 114 К in the Bi-Al-Ca-Sr-Cu-O compound system without rare-earth elements // Phys. Rev. Lett., 1988. Vol. 60, p. 941-943.

23. Hazen R.M., Finger L.W., Angel R.J., Prewitt C.T., RossN.L., 100-K superconducting phases in the Tl-Ca-Ba-Cu-O system // Phys. Rev. Lett., 1988. Vol. 60, p. 1657-1660.

24. Uher C., Kaiser A.B. Thermal transport properties of YBa2Cu307 superconductors // Phys. Rev. B, 1987. Vol. 36, N 10, p. 5680-5683.

25. Гришин A.M., Медведев Ю.В., Николаенко Ю.М. Диагностикатепловых кинетических коэффициентов в YBa2Cu307.§/LaA103 111тонкопленочных болометрах // Физика твердого тела, 1999. Т. 41., Вып. 8, с. 1377-1384.

26. Fardmanesh М. Analytic thermal modeling for dc-to-midrange modulation frequency responses of thin-film high-Tc superconductive edge-transition bolometers // Applied Optics, 2001. Vol.40, No. 7, p. 1080-1088.

27. Ledbetter H.M., Kim S.A., Goldfarb R.B. et al. Elastic constants of the polycrystalline Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-0 superconductor // Phys. Rev. B, 1989. Vol. 39, N 3. p. 9689-9692.

28. Seino H., Ishizaki K., Takata M. HIPped high density Bi-(Pb)-Sr-Ca-Cu-O superconductors produced without any additional treatment // Jap. J. Appl. Phys., 1989. Vol. 28, N 1. p. L78-L81.

29. Асадов A.K., Михеенко П.Н., Дорошенко H.A. Транспортные и магнитные свойства висмутовой металлооксидной керамики (Bi-Pb)-Sr-Ca-Cu-0 // Физика низк. температур., 1989. Т. 15, № 1. с. 1159-1166.

30. Albrecht С., Bock J., Herrmann P.F., Tourre J.M. Current leads first applications of high Tc superconductors for power devices // Physica C, 1994. 235-240., p. 205-208.

31. Алиев Ф.Г., Брандт Н.Б., Мощалков В.В. и др. Теплопроводность монокристаллических высокотемпературных сверхпроводников

32. GdBa2Cu3Ox, TmBa2Cu3Ox и Bi2Sr2CaCu2Ox // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1990. Т. 3, N 2, с. 348-351.

33. White G.K., Collocott S.J., Driver R. et al. Thermal properties of high -Tc superconductors // J. Phys. C, 1988. Vol. 21, N 17. p. L631-L637.

34. Рискиев T.T., Салихов Т.П., Минаджиев Д.Я. и др. Исследование теплоемкости YBa2Cu307.x методом низкотемпературной адиабатической калориметрии // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1989. Т. 2, N 9., с. 132-137.

35. Lang М., Lechner Т., Riegel S. et al. Thermal expansion, sound velocities, specific heat and pressure derivative of Tc in YBa2Cu307 // J. Phys. B, 1988. Vol. 69, N 2., p. 459-463.

36. Гавричев K.C., Горбунов B.C., Коновалова И.А. и др. Теплоемкость Bi2Sr23Ca07Cu2O8+5 в интервале 9-300 К // Изв. АН СССР. Неорган, материалы, 1988. Т. 24, N 12., с. 2078-2080.

37. Zheng D.N., Yang H.S., Chen Z.J. et al. Study on specific heat of Bi2Sr2CaCu2Oy single crystal // Modern Phys. Lett. B, 1989. Vol. 3, N 2., p. 163-166.

38. Панова Г.Х., Хлопкин M.H., Черноплеков H.A. и др. Тепловые и магнитные свойства сверхпроводящего соединения Bii 9Pbo4Sr2Ca3 ,Cu42Ox // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1990. Т. 3, N 3., с. 421-431.

39. Gao Y., Crow J.E., Myer G.H. et al. Specific heat and magnetic susceptibility of the high -Tc superconductor (Bi, Pb, Sb)2Sr2Ca2Cu3Oio // Physica C, 1990. Vol. 165, N3/4. p. 340-346.

40. Zeldov E., Amer N. M., Koren G.and Gupta A. Nonbolometric optical response of YBa2Cu3075 epitaxial films // Phys. Rev. B, 1989, Vol. 39(13), p. 9712-9714.

41. Johnson M. Nonbolometric photoresponse of YBa2Cu307.5 films // Applied Physics Letters, 1991, Vol. 59, Iss. 11, p. 1371-1373.

42. Huber W.M., Arendt В., Huggard P.G. and Prettl W. Square-law Josephson detection of far-infrared radiation with current-biased granular Tl2Ba2CaCu208 thin films // Supercond. Sci. Technol., 1995, Vol. 8, Iss. 10, p. 769.

43. Хребтов И.А. Сверхпроводниковые болометры (обзор) // ПТЭ., 1984, №4, с. 5-23.

44. Nahum М., Ни Q., Richards P.L., Sachtjen S.A., Newman N., Cole B.F. Fabrication and measurement of high Tc superconducting bolometers // IEEE Trans. Magn., 1991, Vol. 27, p. 3081-3084.

45. Aboudihab I., Gilabert A., Azema A., Roustan, J.C. Superconducting YBa2Cu307.x thin film bolometer for infrared radiation // Superconductor Science and Technology, 1994, Vol. 7, Iss. 2, p. 80-83.

46. Fardmanesh M., Rothwarf A., Scoles K.J. Low and midrange modulation frequency response for YBCO infrared detectors: interface effects on the amplitude and phase // IEEE Trans. Appl. Supercond., 1995, Vol. 5, p. 7-13.

47. Zeuner S., Prettl W., Lengfellner H. Fast thermoelectric response of normal state YBa2Cu307d films // Appl. Phys. Lett., 1995, Vol. 66, p. 1833-1835.

48. Phelan P.E. Thermal response of thin-film high-Tc superconductors to modulated irradiation // J. Therm. Phys. Heat Transfer, 1995, Vol. 9, p. 397-402.

49. Chen H.Z., Chou H., Chow T.C., Hong M.T., Lin K.S., Cheng Y.F., Chen Y.C., Lin T.L. The broad band optical detection of precipitational free YBCO thin films // Physica C: Superconductivity, 1997, Vol. 274, Iss. 1-2, p.24-32.

50. Fardmanesh M., Scoles K.J., Rothwarf A. Control of the responsivity and the detectivity of superconductive edge-transition YBa2Cu307.x bolometers through substrate properties // Appl. Opt., 1999, Vol. 38, p. 4735-4742.

51. Bozbey A., Fardmanesh M., Askerzade I.N., Banzet M., Schubert J. Effects of the superconductivity transition on the response of YBCO edge transition bolometers // Superconductor Science and Technology, 2004, Vol. 16, Iss. 12, p. 1554-1558.

52. Кожевников И.Г., Новицкий Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах: Справочник. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. 328 с.

53. Малков М.П., Данилов И.Б., Зельдович А.Г., Фрадков А.Б. Справочник по физико-техническим основам криогеники -3-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1985. 432 с.

54. Bozbey A. YBCO Edge transition bolometers: effect of superconductivity transition on the phase and magnitude of the response, Master's thesis // 2003, Bilkent University.

55. Santavicca D.F. Bolometric response of superconducting microbridges and single-walled carbon nanotubes. // Doctoral Thesis Dissertation, 2009, 153 p.

56. Richards P.L. Bolometers for infrared and millimeter waves // J. Appl. Phys., 1994, Vol. 76, p. 1-24.

57. Tyutyundzhiev N. Bolometric response of YBCO thin films to blackbody radiation // Bulgarian Journal of Physics, 1994, Vol. 21, N 1/2, p. 36-44.

58. Хадсон P.Д. Инфракрасные системы. -M.: Мир, 1972. 534 с.

59. Трищенков М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. -М.: Радио и связь, 1992. 400 с.

60. FlikM.I., Phelan Р.Е., Tien C.L. Thermal model for the bolometric response of high-rc superconducting films to optical pulses // Cryogenics, 1990, Vol. 30, p. 1118-1128.

61. Levey C.G., Etemad S., Inam A. Optically detected transient thermal response of high Tc epitaxial films // Appl. Phys. Lett., 1992, Vol. 60, p. 126-128.

62. Chen R.C., Wu J.P., Chu H.S. Bolometric response of high-7c superconducting detectors to optical pulses and continuous waves // ASME J. Heat Transfer, 1995, Vol. 117, p. 366-372.

63. Клоков А.Ю., Галкина Т.И., Плотников А.Ф. Отклик болометрической структуры на основе YBaCuO/MgO при высоких уровнях лазерного возбуждения. Нелинейная модель иуэксперимент. // Физика твердого тела, 1998, Т. 40, № 2, с. 191-194.116

64. Гришин A.M., Медведев Ю.В., Николаенко Ю.М. Диагностика тепловых кинетических коэффициентов в . YBa2Cu3CWLaA103 -тонкопленочных болометрах // Физика твердого тела, 1999, Т. 41, Вып. 8, с. 1377-1384.

65. Neff Н. Modelling and optimization of high-Гс superconducting bolometers: the effect of film thickness // J. Appl. Phys., 1991. Vol. 69, p. 8375-8379.

66. Fushinobu K., Phelan P.E., Hijikata K., Nagasaki T. and Flik M.I. Thermal analysis of the performance of a high-Tc superconducting bolometer // J. Heat Transfer, 1994. Vol. 116, p. 275-279.

67. Лыков A.B. Тепломассобмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1978. 480 с.

68. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: ГИФМЛ-Наука, 1964. 487 с.

69. Бонч-Осмоловский М.М., Галкина Т.Н., Клоков А.Ю., Плотников А.Ф., Романов Е.Г. Оценка теплового сопротивления интерфейса YBaCuO/MgO из измерений частотной зависимости фотоотклика // СФХТ, 1992, Т. 5, № 11, с. 2122-2127.

70. Shih-Kuo Wu, Hsin-Sen Chu Inverse determination of surface temperature in thin-film/substrate systems with interface thermal resistance // Int. J. of Heat and Mass Transfer, 2004, Vol. 47, 35073515.

71. Kurpisz K., Nowak A.J. Inverse Thermal Problems // Computational Mechanics Publications, Southampton, UK, and Boston, USA, 1995.

72. Антоненко C.B., Братухин П.В., Брызгунов K.B. Приготовление пленок Bi-Sr-Ca-Cu-О фазового состава 2212 и смеси 2212 + 2223 с помощью усовершенствованного магнетрона // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1993. Т. 6, № 8, с. 1708-1712.

73. Компаранцева В.Г., Русанов К.В. Стабилизация сверхпроводящего состояния в высокотемпературных сверхпроводниках // Сверхпроводимость: исследования и разработки. -1994. N3-4, с. 41-61.

74. Collings E.W. Conductor design with high-Tc ceramic: a review // Proc. 2nd ISS'89, Tsukuba, Japan, 1989, p. 327-333.

75. Dorofejev G.L., Imenitov A.B., Klimenko E.Yu. Voltage current characteristics of type III superconductors // Cryogenics. -1980. -Vol.20, N6, p.307-312.

76. Самойлович М.И., Белянин А.Ф., Илюшечкин А.Ю. Строение и высокотемпературная сверхпроводимость пленок Bi2Sr2CaCu20y // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2007, № 4, С. 48-60.

77. Deev V.I., Kutsenko K.V., Lavrukhin А.А., Komarov A.O. and Voronkov S.A. Instability of heat transfer from HTSC-samples to liquid nitrogen // Cryogenics, 1998, Vol. 38, № 7, p. 715-719.

78. Веркин Б.И., Кириченко Ю.А., Русанов К.В. Теплообмен при кипении криогенных жидкостей. Киев: "Наукова думка", 1987. 264 с.

79. Bang С.A., Rice J.P., FlikM.I., Rudman D.A. Thermal isolation of high-temperature superconducting thin films using silicon wafer bonding and micromachimimg // J/ of Microelectromechanical Systems, 1993, Vol. 2, № 4, p. 160-164.