DE102016004001B4 - Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und/oder Photonen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und/oder Photonen, insbesondere Einzelphotonen, aufweisend ein Substrat (1) sowie eine auf das Substrat (1) aufgebrachte Nanodrahtstruktur, bestehend aus Material aufweisend bezüglich elektrischer und thermischer Leitfähigkeit anisotrope Hochtemperatursupraleiter (HTSL) mit einer Schichtenfolge mit wenigstens einem auf das Substrat aufgebrachten epitaktischen, nicht c-Achsen orientierten HTSL-Dünnfilm (2)

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hoch-effizienten Detektion von Elektronen, Ionen und/oder Photonen, insbesondere Einzelphotonen, sowie die Verwendung dieser Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und/oder Photonen, insbesondere Einzelphotonen.
• Stand der Technik
• Lichtdetektoren werden in verschiedenen Bereichen, wie beispielsweise der Astronomie, der Bewegungserkennung, der Molekül-Sequenzierung, Quantenkommunikation, Spektroskopie, medizinischen Bildgebung etc. benötigt. Die größtmögliche Lichtempfindlichkeit wird durch die Erkennung eines einzelnen Lichtquants, einem Photon erreicht. Für viele Anwendungen ist es notwendig, einzelne Photonen über einen großen Wellenlängenbereich und mit hoher zeitlicher Genauigkeit nachzuweisen. Das Erreichen einer zuverlässigen, hoch-effizienten Einzelphotonendetektion mit hoher Geschwindigkeit erfordert eine hohe Detektionseffizienz, eine schnelle Reaktion sowie vernachlässigbare Dunkelzählraten.
• Hierzu sind aus dem Stand der Technik Einzelphotonendetektoren bekannt, die eine Nanodrahtstruktur aus Supraleitermaterial umfassen [1]. Diese Detektoren sind auch bekannt als supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (engl. superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs)). Diese wurden erstmals 2001 in ihrer Funktionsweise demonstriert und werden seitdem weltweit weiterentwickelt. SNSPDs sind in vielerlei Hinsicht für wissenschaftliche und technische Anwendungen interessant. Sie erreichen hohe Detektionseffizienzen im optischen Wellenlängenbereich und im nahen Infrarot und sind auch für Röntgenphotonen und im mittleren Infrarot sensitiv. Außerdem weisen sie eine sehr geringe Dunkelzählrate und sehr hohe maximale Zählraten bis in den GHz Bereich auf. Andererseits müssen sie mindestens auf eine Temperatur unterhalb von etwa 10 K gekühlt werden, um verwendbar zu sein. Basis dieser Detektoren ist es, dass der mit Strom vorgespannte Nanodraht aus Supraleitermaterial, wobei der Strom in der Nähe, aber unterhalb des kritischen Supraleitungsstroms des Nanodrahtes liegt, bis zu seiner bzw. unterhalb seiner kritischen Supraleitungstemperatur gekühlt wird. So wird beispielsweise, je nach Material des Supraleiters, bei einer Betriebstemperatur im Bereich von 4,2 K oder weniger gearbeitet. Über eine höhere Betriebstemperatur im Bereich von 10 K wird im Zusammenhang mit SNSPD aus MgB₂ Material berichtet [2]. Üblicherweise wird der Nanodraht in Form eines schmalen (< 100 nm) und dünnen (< 10 nm) Streifens aus isotropem Tieftemperatur Supraleitermaterial hergestellt, wie beispielsweise aus NbN, NbTiN oder WSi.
• Der Detektionsprozess basiert darauf, dass das von dem Nanodraht absorbierte Photon bis zu Hunderte von Cooper-Paaren bricht und dadurch den lokalen kritischen Strom unterhalb der Vorspannung reduziert. Dies resultiert in der Bildung eines lokalisierten, kurzlebigen, nichtsupraleitenden Bereichs mit endlichem elektrischem Widerstand, den man auch als „Hotspot“ bezeichnet.
• Der Hotspot kann den Suprastrom selbst blockieren oder ihn dazu zwingen, rund um die Normalzustands-Region zu fließen. Im letzteren Fall wird, wenn die lokale Stromdichte groß genug ist, die lokale Stromdichte, d.h. die Stromdichte in unmittelbarer Nähe des Hotspots, die kritische Stromdichte übersteigen und einen Normalzustands- Bereich über die Breite des Nanodrahtes bilden. Die rasche Zunahme des Nanodraht Widerstands von Null bis zu einem gewissen endlichen Wert erzeugt einen Spannungsimpuls über den Nanodraht.
• Die Eigenschaften von supraleitenden Nanodraht Einzelphotonendetektoren wurden im letzten Jahrzehnt deutlich verbessert. Eine Detektionseffizienz nahe 100% [3], niedrige Dunkelzählraten unter 1 s^-1 und schnelle Reaktionszeiten bis zu wenigen Pikosekunden sind in den letzten Jahren nachgewiesen worden [4].
• Eine für die technische Anwendung wünschenswerte Erhöhung der Betriebstemperatur von SNSPDs ist im Prinzip unter Verwendung von Hochtemperatursupraleitern möglich.
• Charakteristisch für die Kristallstruktur der Hochtemperatursupraleiter (im Folgenden auch als HTSL bezeichnet) ist eine Lagen-/Schichtstruktur, welche in der Regel stark gebundene CuO₂-Ebenen senkrecht zur kristallographischen c-Achse beinhaltet. Diese Ebenen, im Folgenden unabhängig vom jeweils verwendeten Material allgemein auch als a-b-Ebenen bezeichnet, bestimmen im Wesentlichen auch die Gitterkonstanten a und b innerhalb der Schichtebenen (für HTSL gilt a ≈ b ≈ 3.9 *10^-10 m). Die Schichtstruktur bewirkt z.B. eine hohe kritische Stromdichte und eine verhältnismäßig große Kohärenzlänge in den Schichtebenen sowie einen kleinen kritischen Strom senkrecht zur Schichtebene entlang der kristallographischen c-Achse, im Folgenden auch nur noch als c-Achse bezeichnet.
• Epitaktische HTSL-Dünnfilme werden in der Regel auf bevorzugt perowskitartigen Substraten mit kubischer oder pseudokubischer (d.h. leicht aus der kubischen Struktur verzerrt) Kristallstruktur mit möglichst guter Anpassung der Gitterkonstanten (aSubstrat ≈ aFilm ≈ bFilm) aufgewachsen.
• Typischerweise beträgt die Gitterfehlpassung $$\frac{{\text{a}}_{\text{substrat}}-{\text{a}}_{\text{film}}}{{\text{a}}_{\text{substrat}}}$$

  

  weniger als einige Prozente.
• Auf (001)-orientierten Substraten werden vor allem epitaktische HTSL-Dünnfilme mit den a-b-Schichtebenen senkrecht zur Substratoberflächennormalen n, die als c-Achsen orientierte Filme bezeichnet werden, bei relativ hohen Substrattemperaturen deponiert. Dies hat seine Begründung darin, dass in der Regel nur diese die für Anwendungen notwendigen Eigenschaften, wie etwa hohe Stromtragfähigkeit, besitzen.
• Die ersten Versuche, SNSPDs aus Hochtemperatursupraleitern mit einer c - Achse senkrecht zur Substratoberflächenebene herzustellen, haben gezeigt, dass diese Qualität von Nanodrähten aus Hochtemperatursupraleitern für Einzelphotonendetektion nicht ausreicht [5].
• Eine Orientierung mit den leitenden Ebenen senkrecht zur Oberfläche erreicht man im Normalfall nur für relativ niedrige Substrattemperaturen. Diese sogenannten a-Achsen orientierten Filme bestehen aus Domänen mit gegenseitig senkrecht zueinander orientierter c-Achse in der Dünnfilmebene. Sowohl die niedrige Substrattemperatur als auch die entstehenden Korngrenzen zwischen den Domänen führen zur Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften dieser Filme, wie beispielsweise aus [7] oder auch aus [8] bekannt ist.
• Anordnungen mit einer Schichtenfolge von epitaktischen Dünnfilmen aus Materialien mit einer Schichtstruktur, welche eine zur Substratnormalen n verkippte c-Achse aufweisen und bei denen nur eine Art von Domänen mit gleicher Orientierung der c-Achsen auftritt, sind beispielsweise aus [6] und [9] bekannt.
• In [6] und [9] wird eine epitaktische Materialien enthaltende Schichtenfolge offenbart, mit einer Schichtstruktur mit quasi-rationalem Verhältnis der Gitterkonstanten innerhalb der a-b-Schichtebene zur Gitterkonstanten senkrecht zu den Schichtebenen. Die Schichtenfolge weist eine sehr gute Kristallqualität und eine Kristallorientierung auf, bei welcher eine große Zahl leitfähiger Ebenen die Filmoberfläche erreicht.
• Ein Verfahren, um epitaktische Dünnschichten von Materialien mit Schichtstruktur - insbesondere HTSL, aber auch andere insofern mit HTSL vergleichbare Materialien - mit den geforderten Eigenschaften zu erhalten, ist beispielsweise auch aus [6] und [9] bekannt.
• Aus [6] und [9] ist weiterhin eine Methode bekannt, einen epitaktischen Dünnfilm mit einer Schichtstruktur herzustellen, so daß er eine einheitliche Domänenstruktur (d.h. ohne Korngrenzen zwischen unterschiedlich orientierten Domänen) aufweist und die Orientierung der Schichtebenen innerhalb der Domänen derart ist, dass die kristallographische Richtung senkrecht zu den Schichten um einen Winkel φ größer als 45°, insbesondere 72°, gegenüber der Substratoberflächennormale verkippt ist.
• Für Cuprat Supraleiter ist bekannt [6], dass sowohl die elektrische und thermische Leitfähigkeit als auch die kritische Stromdichte in Richtung der c-Achse, also senkrecht zu den CuO₂-/a-b-Ebenen, um Größenordnungen kleiner ist gegenüber der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit und kritischen Stromdichte von Supraleitern, entlang der CuO₂-Ebenen (= a-b-Ebenen).
• Aufgabe und Lösung
• Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und/oder Photonen, insbesondere Einzephotonen, unter Verwendung von Hochtemperatursupraleitermaterial bereitzustellen, mit der eine hocheffiziente und schnelle Detektion von Elektronen, Ionen und/oder Photonen, insbesondere Einzelphotonen, möglich ist.
• Gegenstand der Erfindung
• Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und/oder Photonen, insbesondere Einzelphotonen, umfassend ein Substrat sowie eine auf das Substrat aufgebrachte Nanodrahtstruktur, bestehend aus Material umfassend bezüglich elektrischer und thermischer Leitfähigkeit anisotrope Hochtemperatursupraleiter (HTSL) mit einer Schichtenfolge mit wenigstens einem auf das Substrat aufgebrachten epitaktischen, nicht c-Achsen orientierten Hochtemperatursupraleiter (HTSL)-Dünnfilm.
• Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung im optischen Wellenlängenbereich und im nahen Infrarot eingesetzt werden.
• Unter c-Achsen orientierten HTSL-Dünnfilmen, werden, wie schon zuvor gemäß Stand der Technik erläutert, Dünnfilme/Schichtstrukturen verstanden, deren a-b-Schichtebenen senkrecht zur Substratoberflächennormalen n ausgerichtet sind.
• Bei nicht c-Achsen orientierten HTSL- Dünnfilmen ist die kristallographische c-Achse, im Folgenden auch nur noch als c-Achse bezeichnet, daher um einen Verkippungswinkel φ gegenüber der Substratoberflächennormalen n verkippt. Die a-b-Schichtebenen sind dementsprechend bei einem Verkippungswinkel φ von beispielsweise 90°senkrecht zur Substratoberflächenebene ausgerichtet bzw. entlang der Substratoberflächennormalen n ausgerichtet.
• Erfindungsgemäß sollte der Verkippungswinkel φ in einem Bereich zwischen 5°≤ φ ≤ 90°, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10° ≤ φ ≤ 90°, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 30° ≤ φ ≤ 90° liegen.
• Der epitaktische HTSL-Dünnfilm der Nanodrahtstruktur umfasst eine Kristallstruktur aus Einheitszellen, bei dem die c-Achsen dieser Einheitszellen in Richtung der Längsachse L des Nanodrahts verkippt sind. Der HTSL-Dünnfilm ist dabei so orientiert, dass der Strom eine möglichst große Komponente senkrecht zu den elektrisch und thermisch gut leitenden a-b-/CuO₂-Ebenen aufweist. Die Kristallstruktur des HTSL-Dünnfilms sollte dabei eine einheitliche Domänenstruktur (d.h. ohne Korngrenzen zwischen unterschiedlich orientierten Domänen) aufweisen.
• Als Substrate können grundsätzlich Materialien eingesetzt werden, auf denen epitaktisches Wachstum von Kristallstrukturen möglich ist. Hier können beispielsweise Materialien aus der Gruppe der Verbindungen SrTiO₃, NdGaO₃, MgO oder LSAT (= LaAlO₃)0,3-(Sr₂AlTaO₅)0,7) verwendet werden, die eine geringe Gitterfehlanpassung mit Hochtemperatur Supraleiter Kristallgitter mit oder ohne eine Pufferschicht aufweisen.
• Als HTSL-Dünnfilmmaterialien sind grundsätzlich anisotrope Hochtemperatursupraleiter (HTSL) oder Schichtstrukturen aus Materialien mit anisotropen Eigenschaften hinsichtlich elektronischer Leitfähigkeit und thermischer Leitfähigkeit geeignet, deren Struktur an die der Hochtemperatursupraleiter kristallographisch angepasst sind, damit diese epitaktisch auf das Substrat aufwachsen.
• Hochtemperatursupraleiter aus der Gruppe der Kuprat-Supraleiter oder Pniktid-Supraleiter können beispielsweise als geeignete HTSL-Dünnschichtmaterialien eingesetzt werden.
• Als anisotrope Hochtemperatursupraleiter bzw. Materialien mit anisotroper Schichtstruktureigenschaft können beispielhaft folgende Verbindungen eingesetzt werden, die gekennzeichnet sind durch wenigstens eine CuO₂-Ebene wie
  REBa₂Cu₃O_7-x (RE = Y, La, Gd, Pr, Nd....)
  Hg-Ba- Ca- Cu- O-Verbindungen wie z.B. HgBa₂Ca_n-1Cu_nO_y
  TlBa₂Ca_n-1Cu_nO_y
  Tl- Ba- Ca- Cu-O Verbindungen wie z.B. Tl₂Ba₂Ca_n-_iCu_nO_y
  Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_y
  La_2-xM_xCuO₄ (M = Ca, Ba, Sr...) etc.
• Im Folgenden sind beispielhaft einige geeignete Verbindungen aus der Gruppe der Kuprat-Supraleiter aufgeführt:
• YBa₂Cu₃O₇, Bi₂Sr₂CuO₆, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, Bi₂Sr₂Ca₂CU₃O₁₀, Tl₂Ba₂CuO₆, Tl₂Ba₂CaCu₂O₈, Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, TlBa₂Ca₃Cu₄O₁₁, HgBa₂CuO₄, HgBa₂CaCu₂O₆, HgBa₂Ca₂Cu₃O₈
• Im Folgenden sind beispielhaft einige geeignete Verbindungen aus der Gruppe der Pniktid-Supraleiter aufgeführt:
• LaO_0.89F_0.11 FeAs, LaO_0.9F_0.2FeAs, CeFeAsO_0.84F_0.16, SmFeAsO_0.9F_0.1, NdFeA-sO_0.89F_0.11, GdFeAsO_0.85, SmFeAsO_≈0.85, BaFe_1.8Co_0.2As₂
• Neben dem Hochtemperatursupraleiter (HTSL)-Dünnfilm kann die Vorrichtung zusätzlich noch eine Pufferschicht aufweisen. Diese verbessert die Eignung des aufgewachsenen HTSL-Dünnfilms gegenüber dem Substrat, z.B. durch eine Verbesserung der Gitteranpassung gegenüber dem Substrat. Weiterhin kann eine Pufferschicht unerwünschte chemische Wechselwirkungen des Materials des Substrats mit dem Dünnfilmmaterial verringern. Die Pufferschichten können auch das epitaktische Schichtwachstum mit verkippter c-Achse fördern [10].
• Für die Pufferschicht können beispielsweise Verbindungen aus der Gruppe PrBa₂Cu₃O_7-x, BaSnO₃, SrTiO₃, MgO, BaZrO₃ oder BaTbO₃ eingesetzt werden.
• Die Nanodrahtstruktur weist vorzugsweise eine Breite W im Bereich von ≤ 100 nm auf. Vorzugsweise kann die Schichtdicke der Nanodrahtstruktur einen Bereich von wenigen Nanometern insbesondere im Bereich von ≤ 10 nm aufweisen.
• Um die photoaktive Fläche der Vorrichtung möglichst effektiv zu nutzen, kann die Nanodrahtstruktur vorzugsweise mäanderförmig angeordnet werden.
• Um einzelne Elektronen, Ionen und/oder Photonen zu detektieren, wird die Vorrichtung auf eine Temperatur deutlich unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt und mit einem konstanten Strom gespeist, der sich nahe zum kritischen Strom befindet. Trifft ein Elektron, Ion und/oder Photon ausreichend hoher Energie auf die Nanodrahtstruktur und wird absorbiert, entsteht lokal ein normalleitender Bereich (= HotSpot), indem bis zu Hunderte von Cooper-Paaren gebrochen werden und dadurch der lokale kritische Strom unterhalb der Vorspannung reduziert wird. Dies verursacht eine messbare Widerstandsänderung an den Enden der Nanodrahtstruktur. Der Nanodraht sollte dabei so orientiert sein, dass der Strom eine möglichst große Komponente senkrecht zu den leitenden (CuO₂- /a-b) Ebenen aufweist.
• Durch die erfindungsgemäße Anordnung des HTSL-Dünnfilms, findet der Stromtransport hauptsächlich innerhalb der gut leitenden a- und b-Ebene statt. Der von den eintreffenden Photonen, Elektronen und/oder Ionen generierte Hotspot/Normalstrombereich kann sich wegen der anisotropen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit vorzugsweise entlang der a-b-Ebene ausbreiten und blockiert (kurzzeitig im Pikosekundenbereich) den Suprastrom über die gesamte Nanodrahtbreite W und gesamte Schichtdicke der Nanodrahtstruktur. Da sowohl die elektrische und die thermische Leitfähigkeit als auch die kritische Stromdichte in Richtung der c-Achse um Größenordnungen kleiner ist gegenüber der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit der a-b-Schichtebene, breitet sich der Hotspot, d.h. der nichtsupraleitende Bereich weniger gut entlang der c-Achse in Richtung der Längsachse L der Nanodrahtstruktur aus, sondern konzentriert sich vorwiegend entlang der a-b-Ebene, d.h. in Richtung der Nanodrahtschichtdicke und Nanodrahtschichtbreite.
• Die erfindungsgemäße Anordnung ist daher besonders vorteilhaft für den Einsatz von HTSL Materialien, da die Energielücke von Hochtemperatur-Supraleitern typischerweise 10-mal größer ist als die Energielücke von Niedertemperatursupraleitern bei sehr tiefen Temperaturen. Dies bedeutet, dass für SNSPDs auf Basis von HTSL entweder die Breite oder die Dicke des Nanodrahts abhängig von der Betriebstemperatur um das 3-10-Fache reduziert werden müsste, um die gleiche Erfassungseffizienz und Photonenenergieschwelle wie bei SNSPDs Tieftemperatursupraleitern zu erhalten. Gemäß Stand der Technik wird die Nanodrahtstruktur für Filme aus isotropem Tieftemperatur Supraleitermaterial üblicherweise in Form eines < 100 nm schmalen und < 10 nm dünnen Streifens hergestellt. Technisch bedingt ist es jedoch sehr schwierig, Nanodrähte aus Hochtemperatur-Supraleitern mit einer Breite im Bereich von beispielsweise 10-30 nm oder mit einer Dicke im Bereich von 1-3 nm herzustellen. Die erfindungsgemäße Nanodrahtstruktur sollte so ausgestaltet sein, dass sie eine Sensitivität für Einzelphotonen aufweist. Mit steigendem Verkippungswinkel φ können dickere HTSL Filme, die technisch einfach herzustellen sind, eingesetzt werden. Wenn die Dicke des HTSL Films einen Bereich von < 10 nm aufweist, wird die Sensitivität für den Bereich der längeren Wellenlängen mit zunehmendem Verkippungswinkel φ zunehmen.
• Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der der anisotrope, epitaktische HTSL-Dünnfilm nicht c-Achsen orientiert ist, kann nunmehr auch eine schnelle und hocheffiziente Detektion der Elektronen, Ionen und/oder Photonen mit einer Nanodrahtstruktur erfolgen, die bezüglich der Erfassungseffizienz und Photonenenergieschwelle vergleichbar ist mit Nanodrahtstrukturen umfassend Material aus Tieftemperatursupraleitern.
• Die Erzeugung der nicht c-Achsen orientierten HTSL-Dünnfilme kann mit den nach dem Stand der Technik, wie den beispielsweise aus [6] und [9] oder auch anderen nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von nicht c-Achsen orientierten epitaktischen, anisotropen Schichtstrukturen erfolgen. Durch die stufenweise epitaktische Erzeugung und Aufbringung des HTSL-Dünnfilms mit gekippter c-Achse auf das Substrat entstehen keine Präzipitate. Dies ermöglicht eine Herstellung einer Nanodrahtstruktur für Elektronen-, Ionen- und/oder Photonendetektoren und damit die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Detektion von beispielsweise Einzelphotonen, die eine qualitative Detektion dieser Einzelphotonen ermöglicht.
• Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Erfassungseffizienz und Energieschwelle für Elektronen, Ionen und/oder Photonen hinsichtlich der Detektionsempfindlichkeit erreicht werden, die mit entsprechenden Detektoren auf Basis von Tieftemperatursupraleitern vergleichbar ist, aber den Einsatz von HTSL-Dünnfilmen ermöglicht.
• Die erfindungsgemäße Anordnung weist weiterhin eine verbesserte Kühlungsmöglichkeit mittels des Substrates oder der Pufferschicht auf, da auf Grund der erhöhten thermischen Leitfähigkeit entlang der a-b Ebene gegenüber der c-Achse, die Kühlung des Hotspot Bereichs effektiver erfolgen kann. Der normalleitende Bereich wird dadurch schneller wieder in den supraleitenden Bereich überführt, so dass erneut eine Detektion stattfinden kann und damit durch Verringerung der Totzeit eine schnellere Detektionsgeschwindigkeit erreicht werden kann.
• Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen optischen Resonator und/oder Entspiegelungsschichten und/oder integrierte optische Wellenleiter zur Einspeisung des optischen Signals auf.
• Bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Nanodrahtstruktur in Mäanderform, kommt es vorteilhaft zu keiner Stromkonzentration in den Krümmungsbereichen der Mäanderform, da sich der Strom vorzugsweise nur noch in Richtung der a-b Ebene, entlang der Krümmungsbereiche des Mäanders ausbreitet, so dass eine gute Leitfähigkeit vorherrscht.
• Figurenliste
• Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung an Hand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
• 1: Nanodrahtstruktur für eine Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und /oder Photonen umfassend einen epitaktischen, anisotropen, c-Achsen orientierten HTSL-Dünnfilm auf einem Substrat
• 2: Erfindungsgemäße Nanodrahtstruktur für eine Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und /oder Photonen umfassend einen epitaktischen, anisotropen nicht c-Achsen orientierten HTSL-Dünnfilm auf einem Substrat
• 3: Erfindungsgemäße Nanodrahtstruktur für eine Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und /oder Photonen umfassend einen epitaktischen, anisotropen nicht c-Achsen orientierten HTSL-Dünnfilm auf einem Substrat bei dem der Nanodraht mäanderförmig auf dem Substrat angeordnet ist
• 1 zeigt ausschnittweise eine nicht erfindungsgemäße Nanodrahtstruktur für eine Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und /oder Photonen mit einer auf das temperierbare, insbesondere kühlbare, kubische Substrat 1, bestehend aus kubischen Zellen 1a, aufgebrachten Nanodrahtstruktur, umfassend einen anisotropen HTSL-Dünnfilm 2 bestehend aus Einheitszellen 2a, mit einer Schichtenfolge mit einer c-Achse, dargestellt durch einen mit c markierten Pfeil, deren a-b-Schichtebenen senkrecht zur Substratoberflächennormalen n ausgerichtet sind. Gemäß Definition liegt hier ein Verkippungswinkel der c-Achse gegenüber der Substratoberflächennormalen n von φ =0° vor. Die dargestellten kubischen Zellen 1a des Substrats 1 und die länglichen Quader der Einheitszellen 2a der Supraleiterschicht stellen schematisch die Einheitszellen der HTSL Kristallstruktur dar. Die Längsachse der Nanodrahtstruktur ist durch einen mit „L“ gekennzeichneten Doppelpfeil dargestellt. Die Breite bzw. Querachse der Nanodrahtstruktur ist durch einen mit „W“ gekennzeichneten Doppelpfeil dargestellt.
• Beim Auftreffen eines Ions/Elektrons oder Einzelphotons wird in dem HTSL-Dünnfilm 2 ein Hotspot 4, dargestellt durch einen dunkel schraffierten Bereich, erzeugt. Dieser nichtsupraleitende Bereich breitet sich relativ gut breitflächig entlang der elektrisch und thermisch gut leitenden a-b-Schichtebenen und parallel zur Substratoberflächenebene aus. Der überwiegende Teil des Suprastroms breitet sich dadurch entlang der Längsachse L des Nanodrahtes in der durch den Pfeil 3 dargestellten Richtung entlang des anisotropen HTSL-Dünnfilms 2 aus und wird durch den Hotspot Bereich 4 unterbrochen. In Richtung der c-Achse, also senkrecht zu den a-b-Ebenen (je nach Material sind dies beispielsweise CuO₂-Ebenen) breitet sich auf Grund der elektrischen und thermischen Eigenschaften des HTSL-Dünnfilmmaterials der normalleitende Bereich schlechter aus. Dies hat den Nachteil, dass der Suprastrom bei einer nicht ausreichenden Energiemenge des auftreffenden Elektrons/lons und/oder Photons nicht zu einer kompletten Unterbrechung des Suprastroms führt, sondern nur zu einer Unterbrechung in den oberen Schichtdicken des HTSL-Dünnfilms 2, so dass der Suprastrom beispielsweise weiter unterhalb des Hotspots 4 fließen kann und es zu keiner Signaldetektion kommt. Um eine Detektion von energieärmeren Elektronen/Ionen und/oder Photonen zu ermöglichen, müsste die Schichtdicke dann reduziert werden. Dies ist jedoch aus technischen Gründen nur schwer möglich. Auf Grund der gegenüber der a-b-Ebene geringeren thermischen Leitfähigkeit in Richtung der c-Achse und damit in Richtung der Substratoberfläche, kann der Hotspot Bereich 4 erst relativ langsam wieder durch das gekühlte Substrat 1 in den supraleitenden Bereich überführt werden. Somit ist eine erneute Detektion von Elektronen, Ionen oder Einzelphotonen erst zeitverzögert möglich. Bei dem in dieser 1 dargestellten HTSL-Dünnfilm 2 ist die c-Achse parallel zur Substratoberflächennormalen n und vertikal gegenüber den a-b/CuO₂-Ebenen ausgerichtet. Die a-b-Schichtebenen, hier beispielsweise die CuO₂Ebenen, des HTSL-Dünnfilmmaterials sind in diesem Beispiel horizontal bzw. parallel bezüglich der Substratoberflächenebene ausgerichtet.
• 2 zeigt ausschnittweise eine erfindungsgemäße Nanodrahtstruktur für eine Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und /oder Photonen mit einer auf das kubische bzw. pseudokubische temperierbare, insbesondere kühlbare Substrat 1, bestehend aus pseudokubischen Zellen 1a, aufgebrachten Nanodrahtstruktur, umfassend einen anisotropen HTSL-Dünnfilm 2 bestehend aus Einheitszellen 2a, mit einer epitaktischen nicht c-Achsen orientierten Schichtstruktur, deren c-Achse, dargestellt durch einen mit c markierten Pfeil, gegenüber der Substratoberflächennormalen n mit einem Verkippungswinkel φ verkippt ist. In diesem Beispiel liegt ein Verkippungswinkel φ der c-Achse von φ ≈ 72° vor. Die Längsachse der Nanodrahtstruktur ist durch einen mit „L“ gekennzeichneten Doppelpfeil dargestellt. Die Breite bzw. Querachse der Nanodrahtstruktur ist durch einen mit „W“ gekennzeichneten Doppelpfeil dargestellt.
• Gemäß des hier dargestellten Ausführungsbeispiels ist erkennbar, dass die c-Achsen der Einheitszellen 2a gegenüber der in 1 dargestellten Ausrichtung der c-Achsen, in Richtung der Längsachse L der Nanodrahtstruktur, in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Verkippungswinkel φ von φ ≈ 72°, verkippt sind. Weiterhin ist hier sichtbar, dass die Kristallstruktur des HTSL Dünnfilms eine einheitliche Domänenstruktur (d.h. ohne Korngrenzen zwischen unterschiedlich orientierten Domänen) aufweist.
• Beim Auftreffen eines Ions/Elektrons oder Einzelphotons auf die Nanodrahtstruktur wird in dem HTSL-Dünnfilm 2 ein Hotspot 4, dargestellt durch den dunkel schraffierten Bereich, erzeugt. Dieser nichtsupraleitende Bereich breitet sich entlang der elektrisch und thermisch gut leitenden a-b-Schichtebenen und damit nahezu senkrecht zur Substratoberfläche aus. Der Suprastrom breitet sich zum größten Teil in Richtung der Längsachse L, in der durch den Pfeil 3 dargestellten Richtung entlang des Nanodrahts im anisotropen HTSL-Dünnfilm 2 aus und wird durch den Hotspot Bereich 4 unterbrochen. In Richtung der c-Achse, nun also nahezu parallel zur Substratoberfläche breitet sich der normalleitende Strom auf Grund der elektrischen und thermischen Eigenschaften des anisotropen HTSL-Dünnfilmmaterials schlechter aus. Auf Grund der gegenüber der c-Achse besseren thermischen und elektrischen Leitfähigkeit der a-b-Ebene kann der Hotspot Bereich 4, d.h. der normalleitende Bereich, nunmehr schnell wieder mit Hilfe der gekühlten Substratschicht in den supraleitenden Bereich überführt werden. Somit ist eine erneute Detektion von Elektronen, Ionen oder Einzelphotonen schnell wieder möglich. Bei diesem HTSL-Dünnfilm 2 ist die c-Achse nahezu horizontal entlang der Substratoberflächenebene ausgerichtet. Die a-b-Schichtebenen bzw. die CuO₂Ebenen des HTSL-Dünnfilmmaterials sind in diesem Beispiel nahezu vertikal bezüglich der Substratoberflächenebene ausgerichtet.
• 3 zeigt ausschnittweise eine erfindungsgemäße Nanodrahtstruktur für eine Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und /oder Photonen, umfassend einen epitaktischen, anisotropen nicht c-Achsen orientierten HTSL-Dünnfilm 2 auf einem Substrat 1, bei dem der HTSL-Dünnfilm 2 des Nanodrahts mäanderförmig auf dem Substrat 1 angeordnet ist. Der Verkippungswinkel φ beträgt hier beispielsweise 90°.
• In den Krümmungsbereichen 5 der mäanderförmigen Struktur kommt es, im Gegensatz zu Nanodrahtstrukturen aus konventionellen isotropen Supraleitern, vorteilhaft zu keiner Stromkonzentration, da sich der Strom/Stromfluß 3 auf Grund der erfindungsgemäßen Schichtanordnung auf dem Substrat 1 vorzugsweise nur noch in Richtung der a-b Ebene entlang der Krümmungsbereiche des Mäanders ausbreitet, hier beispielsweise entlang der CuO₂ Ebenen, so dass eine gute Leitfähigkeit vorherrscht. Die Längsachse der Nanodrahtstruktur ist durch einen mit „L“ gekennzeichneten Doppelpfeil dargestellt. Die Breite bzw. Querachse der Nanodrahtstruktur ist durch einen mit „W“ gekennzeichneten Doppelpfeil dargestellt. Zur Detektion tragen dabei vorzugsweise die Teile der Nanodrahtstruktur entlang der Längsachse L bei.
• Gemäß des hier dargestellten Ausführungsbeispiels ist erkennbar, dass auch hier die c-Achsen der Einheitszellen 2a gegenüber der in 1 dargestellten Ausrichtung der c-Achsen, in Richtung der Längsachse L der Nanodrahtstruktur, in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Verkippungswinkel φ von φ = 90°, verkippt sind. Weiterhin ist auch hier sichtbar, dass die Kristallstruktur des HTSL Dünnfilms 2 eine einheitliche Domänenstruktur (d.h. ohne Korngrenzen zwischen unterschiedlich orientierten Domänen) aufweist.
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10. [10] HONTSU, S. [et al.]: a‐axis oriented growth of YBa2Cu3O7−y films on LaSrGaO4(100) substrates. In: Applied Physics Letters, Vol. 61, 1992, No. 9, S. 1134-1136. - ISSN 0003-6951

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Detektion von Elektronen, Ionen und/oder Photonen, insbesondere Einzelphotonen, aufweisend ein Substrat (1) sowie eine auf das Substrat (1) aufgebrachte Nanodrahtstruktur, bestehend aus Material aufweisend bezüglich elektrischer und thermischer Leitfähigkeit anisotrope Hochtemperatursupraleiter (HTSL) mit einer Schichtenfolge mit wenigstens einem auf das Substrat aufgebrachten epitaktischen, nicht c-Achsen orientierten HTSL-Dünnfilm (2)_.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die c-Achse des epitaktischen HTSL-Dünnfilms (2) mit einem gegenüber der Substratoberflächennormalen n verkippten Winkel φ im Bereich zwischen 5° ≤ φ ≤ 90° verkippt ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HTSL-Dünnfilm (2) der Nanodrahtstruktur eine Kristallstruktur aus Einheitszellen (2a) aufweist, wobei die c-Achsen dieser Einheitszellen (2a) in Richtung der Längsachse L des Nanodrahts verkippt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, Kuprat-Supraleiter oder Pniktid-Supraleiter als HTSL- Dünnfilmmaterial.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie neben dem Hochtemperatursupraleiter HTSL-Dünnfilm (2) wenigstens eine Pufferschicht zwischen Substratschicht und HTSL-Dünnfilm (2) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HTSL-Dünnfilm (2) mäanderförmig auf dem Substrat (1) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) temperierbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen optischen Resonator aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Entspiegelungsschichten aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen integrierten optischen Wellenleiter aufweist.

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