Введение к работе
Актуальность работы.
Одним из перспективных направлений в фиоике низких температур
является изучение воздействия электромагнитного излучения на тон
кие пленки сверхпроводников. Эти исследования привели к фундамен
тальным открытиям в области физики сверхпроводящего состояния и
позволили создать целый класс принципиально новых устройств крио
генной микроэлектроники. t
В последние годы большое внимание привлекают возможности создания неравновесных распределений электронов и фононов в тонких металлических пленках. Эффект электронного разогрева, проявляющийся в реэистивном состоянии сверхпроводника при воздействии на него электромагнитного излучения, позволяет исследовать процессы электрон-фононного взаимодействия при температурах менее 10 ,К в случае сильно разупорядоченного проводника q
Существующие в настоящее время традиционные приемные устройства (структуры SIS, джозефсопопскпе контакты, диоды с барьером Шотткп и др.) также не могут пока удовлетворить потребности в быстродействующих детекторах субиллпметрового и ИК диапазонов-. В связи с этим актуальным является поиск новых сверхпроводниковых материалов, демонстрирующих неравновесный отклик с постоянной времени пикосекундного диапазона. Перспективными для исследования являются сверхпроводники с сильной связью, в которых электрон-фононное взаимодействие необходимо должно обладать значительной интенсивностью. Одним по таких материалов является нитрид ниобия. Оценки постоянной времени отклика на излучение пленок нитрида ниобия различными авторами давали величину порядка 10~10 с [2], однако
природа такого быстрого отклика не исследовалась. Сильная грану-лированность пленок нитрида ниобия делает вооможным проявление в миллиметровом и субмиллпметровом диапазонах эффекта Джозефсона на межгранульных слабых связях, который также имеет пикосекунд-ные постоянные времени. При этом кинетические процессы в пленке могут быть полностью замаскированы эффектом Джозефсона, поэтому при изучении отклика пленок нитрида ниобия необходим тщательный анализ результатов эксперимента и использойание излучения широкого спектрального интервала (вплоть до оптики).
Цель и основные задачи работы.
Целью настоящей работы является исследование механизмов отклика тонких пленок NbN на излучение миллиметрового и инфракрасного диапазонов спектра, изучение величины и температурной зависимости времени взаимодействия электронов с тепловыми фононами в данном материале при низких температурах," а также создание кон-курентноспособного чувствительного детектора субмиллиметрового и ИК диапазонов с постоянной времени ~ 10 пс.
Новизна работы состоит п следующем:
-
Показано, что при воздействии излучения миллиметрового и инфракрасного диапазонов на структурированные пленки нитрида ниобия толщиной 70-Г-900А с поверхностным сопротивлением 15-г 600 Ом в резистнвном состоянии наблюдается неравновесный отклик и болометрический эффект; джоэефсоновскпй и туннельный квазичастичнып эффекты в исследуемых пленках не проявляются.
-
Показано, что характерное время отклика структурированных пленок нитрида ниобия толщиной d < 140А в резнстнвном состоянии на ампяптудпо-модулированное миллиметровое (А = 1.5 мм) излучение возрастает от с* 30 пс до ~ 200 пс при понижении температуры от 5.5 К до 1.6 К.
-
Впервые исследован отклик пленок NbN толщиной d < 120Д при . температурах Т ~ 0.9ГС на 20-ш:кос№ундные лазерные импульсы (А = 1.06 (їм) с временным разрешением аппаратуры ~ 20 пс. При Г ~ 10 К получен импульсный отклик образцов с временем нарастания п спада сигнала « 50 пс, что свидетельствует о времени релаксации сопротивления пленок < 20 ас при данной темпера-
туре. Показано, что отклик исследуемых образцов имеет одну и ту же (неравновесную) природу и примерно одинаковую величину в миллиметровом и ИК диапазонах.
-
Впервые измерено время взаимодействия электронов с тепловыми фононами терл в пленках нитрида ниобия при гелиевых температурах, которое составляет ~ 50 пс при Т = .4.2 К, и получена температурная зависимость герд ~ y-i.e ПрИ температурах Т < 6 К. Обнаружено уменьшение времени электрон-фононного взаимодействия Tcph в пленках NbN при возрастании длины свободного пробега электронов I.
-
Впервые получен и исследован двухкомпонентный отклик пленок нитрида ниобия на амплитудно-модулированное излучение миллиметрового диапазона п на лазерные импульсы ИК диапазона. Показано, что быстрый компонент связан с неравновесным распределением квазпчастиц по энергии, а медленный компонент - с болометрическим эффектом; соотношение между амплитудами медленного и быстрого компонентов определяется отношением электронной п фононной теплоємкостей пленок. При увеличении толщины пленок более 250 А в отклике пленок на лазерные импульсы проявляются диффузионные процессы распространения оперши в образце.
-
Разработан и реализован быстродействующий детектор субмнлли-метрового и инфракрасного диапазонов па основе неравновесного отклика пленок нитрида ниобия с постоянной времени ~ 10 пс и предельно обпаружимой мощностью NEP < 10~12 Вт-Гц-1/2.
Эти положеппя выносятся на защиту.
Практическая (значимость работы состоит в следующем: , - реализовала автоматизированная измерительная установка на основе ламп обратной волны для измерения времени релаксации сопротивления топких пленок проводников н коротковолновой части миллиметрового диапазона с времепным разрешением ~ 30 пс;
- создан чувствительный детектор субмпллггметрового и инфракрасного днапаоопов на основе тонких пленок нитрида шгобпя с постоянной временп ~ 10 пс для использования в быстрой спектроскопии, дпагпо-
стике плазмы, лазерных методах исследования вещества и других областях;
- оценены перспективы применения пленок NbN для создания смеси
телей субмиллиметрового и ИК диапазонов.
Апробация работы.
Основные результаты настоящего исследования докладывались на:
XII Всесоюзной Научно-технической конференции по твердотельной электронике СВЧ (Киев, 25-27 сентября 1990 г.);
Международной Конференции по прикладной сверхпроводимости "1990 Applied Superconductivity Conference" (Snowmass, USA, September 24-28,1990);
3 Международной Конференции "Superconductive Electronics Conference" (Glasgow, Scotland, June 25-27,1991);
1-ом Украинском Симпозиуме "Физика и техника миллиметрового а субмпллиметрового диапазонов" (Харьков, 15-17 октября 1991 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано девять печатных работ (список приведен ниже).
Объем и структура работы.
