MD689Z

MD689Z - Superconducting bolometer

Info

Publication number: MD689Z
Application number: MDS20130029A
Authority: MD
Inventors: Ефим ЗАСАВИЦКИЙ
Original assignee: ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ИНЖЕНЕРИИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ "D. Ghitu" АНМ
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-05-31
Also published as: MD689Y

Abstract

Invenţia se referă la receptoare de radiaţie cu răcire pentru măsurarea fluxurilor slabe de radiaţie din diapazonul de lungimi de unde milimetrice şi submilimetrice.Bolometrul supraconductor conţine un criostat de heliu, în care este amplasat un regulator de temperatură şi un element sensibil, executat dintr-un semiconductor supraconductor, la care este conectat un dispozitiv de înregistrare. Elementul sensibil este executat în formă de peliculă monocristalină din telurură de staniu dopată cu galiu Sn1-xGaxTe, unde x=0,01...0,0225, obţinută prin depunerea materialului semiconductor supraconductor pe un substrat de fluorură de bariu BaF2.The invention relates to cooled radiation receivers for measuring low radiation fluxes in the wavelength range of millimeter and submilimeter wavelengths. The superconducting bolometer contains a helium cryostat, in which a temperature regulator and a sensitive element, executed from a superconductor semiconductor, to which a recording device is connected. The sensitive element is made in the form of a monocrystalline film of tin oxide doped with gallium Sn1-xGaxTe, where x = 0.01 ... 0.0225, obtained by depositing the superconducting semiconductor material on a barium fluoride substrate BaF2.

Description

Invenţia se referă la receptoare de radiaţie cu răcire pentru măsurarea fluxurilor slabe de radiaţie din diapazonul de lungimi de unde milimetrice şi submilimetrice. The invention relates to cooled radiation receivers for measuring weak radiation fluxes in the millimeter and submillimeter wavelength range.

Este cunoscut un bolometru, care conţine un criostat de heliu cu un regulator de temperatură, în care este amplasat un element sensibil supraconductor în formă de fir monocristalin, executat dintr-un semiconductor de telurură de plumb dopată cu taliu Pb1-xTlxTe, unde x=0,01…0,0225, la care este conectat un dispozitiv de înregistrare. Funcţionarea dispozitivelor de acest tip se bazează pe faptul că sub influenţa radiaţiei are loc încălzirea elementului supraconductor şi, astfel, se modifică rezistenţa în regiunea trecerii materialului în starea supraconductibilă [1]. A bolometer is known, which contains a helium cryostat with a temperature controller, in which a superconducting sensitive element in the form of a single-crystal wire is placed, made of a semiconductor of lead telluride doped with thallium Pb1-xTlxTe, where x=0.01…0.0225, to which a recording device is connected. The operation of devices of this type is based on the fact that under the influence of radiation the superconducting element is heated and, thus, the resistance changes in the region of the transition of the material to the superconducting state [1].

Dezavantajele acestui bolometru constau în faptul că acesta, fiind fabricat pe baza unui fir monocristalin, necesită aplicarea unor metode speciale de fixare a contactelor pentru excluderea plesnirii firului de-a lungul planului de clivaj [100] din cauza valorii mari a coeficientului de dilatare termică, totodată taliul folosit în calitate de dopant este un material toxic. The disadvantages of this bolometer are that it, being manufactured based on a single-crystal wire, requires the application of special methods for fixing the contacts to exclude cracking of the wire along the [100] cleavage plane due to the high value of the thermal expansion coefficient, while the thallium used as a dopant is a toxic material.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în fabricarea unui bolometru rezistent la dilatări termice, precum şi în excluderea utilizării materialului toxic. The problem that the invention solves consists in manufacturing a bolometer resistant to thermal expansions, as well as in excluding the use of toxic material.

Bolometrul supraconductor, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine un criostat de heliu, în care este amplasat un regulator de temperatură şi un element sensibil, executat dintr-un semiconductor supraconductor, la care este conectat un dispozitiv de înregistrare. Elementul sensibil este executat în formă de peliculă monocristalină din telurură de staniu dopată cu galiu Sn1-xGaxTe, unde x=0,01...0,0225, obţinută prin depunerea materialului semiconductor supraconductor pe un substrat de fluorură de bariu BaF2. The superconducting bolometer, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by containing a helium cryostat, in which a temperature controller is placed and a sensitive element, made of a superconducting semiconductor, to which a recording device is connected. The sensitive element is made in the form of a single-crystalline film of gallium-doped tin telluride Sn1-xGaxTe, where x=0.01...0.0225, obtained by depositing the superconducting semiconductor material on a barium fluoride BaF2 substrate.

În dispozitivul propus pentru detectarea fluxurilor de radiaţie infraroşie se foloseşte proprietatea interioară specifică a Sn1-xGaxTe, unde x=0,01...0,0225, din care este fabricat elementul sensibil, şi anume apariţia stării supraconductoare în materialul semiconductor SnTe<Ga>, care este determinată de următoarele: doparea telururii de staniu cu galiu duce la formarea benzii cvasilocale cu densitatea mare a stărilor în zona de valenţă (îndepărtată de vârf la 0,1 eV cu lăţimea de 5...10 meV) pe fondul spectrului permis. Anume existenţa benzii cvasilocale cu densitatea mare a stărilor în zona de valenţă şi explică toată gama, inclusiv starea supraconductoare în telurura de staniu dopată cu galiu. The proposed device for detecting infrared radiation fluxes uses the specific internal property of Sn1-xGaxTe, where x=0.01...0.0225, from which the sensitive element is made, namely the appearance of the superconducting state in the semiconductor material SnTe<Ga>, which is determined by the following: doping of tin telluride with gallium leads to the formation of a quasi-local band with a high density of states in the valence band (removed from the peak at 0.1 eV with a width of 5...10 meV) against the background of the allowed spectrum. Namely, the existence of a quasi-local band with a high density of states in the valence band explains the entire range, including the superconducting state in tin telluride doped with gallium.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-2, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1-2, which represent:

– fig. 1, schema-bloc a bolometrului supraconductor; – Fig. 1, block diagram of the superconducting bolometer;

– fig. 2, graficul dependenţei rezistenţei de temperatura elementului sensibil. – Fig. 2, graph of the dependence of the resistance on the temperature of the sensitive element.

În fig. 1 este prezentată schema-bloc a bolometrului supraconductor propus. În criostatul de heliu 1 este amplasat elementul sensibil 2 în formă de peliculă monocristalină de telurură de staniu dopată cu galiu Sn1-xGaxTe, unde x=0,01...0,0225, obţinută prin depunerea materialului semiconductor supraconductor SnTe<Ga> pe substratul de fluorură de bariu BaF2, conectat cu dispozitivul de înregistrare 4. Elementul sensibil este plasat în sistemul 3, pentru reglarea şi controlul temperaturii lui de lucru. In Fig. 1 the block diagram of the proposed superconducting bolometer is presented. In the helium cryostat 1 the sensitive element 2 is placed in the form of a single-crystalline film of gallium-doped tin telluride Sn1-xGaxTe, where x=0.01...0.0225, obtained by depositing the superconducting semiconductor material SnTe<Ga> on the barium fluoride substrate BaF2, connected to the recording device 4. The sensitive element is placed in the system 3, for regulating and controlling its working temperature.

Funcţionarea bolometrului este bazată pe dependenţa rezistenţei electrice de temperatura elementului sensibil, şi anume se foloseşte trecerea elementului sensibil în starea supraconductibilă cu alegerea punctului de lucru la mijlocul acestei treceri, care se atinge prin micşorarea temperaturii până la T ≈ 3,25K, când dR/dT este de sute de ori mai mare decât mărimea dR/dT în regimul semiconductor şi, prin urmare, creşte de sute de ori sensibilitatea elementului sensibil. The operation of the bolometer is based on the dependence of the electrical resistance on the temperature of the sensitive element, namely the transition of the sensitive element to the superconducting state is used with the choice of the working point in the middle of this transition, which is achieved by decreasing the temperature to T ≈ 3.25K, when dR/dT is hundreds of times greater than the value of dR/dT in the semiconductor regime and, therefore, the sensitivity of the sensitive element increases hundreds of times.

Trecerea din starea supraconductoare în cea normală a elementului sensibil poate fi folosită ca semnal de trecere a mărimii puterii radiaţiei peste valoarea critică. În domeniul stării normale a elementului sensibil dispozitivul se foloseşte de asemenea pentru măsurarea radiaţiei, deoarece rezistenţa lui are dependenţa rezistenţei de temperatură caracteristică pentru semiconductori. The transition from the superconducting to the normal state of the sensitive element can be used as a signal of the radiation power passing above the critical value. In the normal state of the sensitive element, the device is also used for radiation measurement, since its resistance has the temperature dependence of resistance characteristic of semiconductors.

În fig. 2 este prezentată dependenţa caracteristică rezistenţei de temperatură R(T) a elementului sensibil de Sn1-xGaxTe, unde x=0,01...0,0225, cu evidenţierea punctului de lucru al dispozitivului propus. Fig. 2 shows the characteristic dependence of the temperature resistance R(T) of the Sn1-xGaxTe sensitive element, where x=0.01...0.0225, highlighting the working point of the proposed device.

A fost executat un prototip experimental, care conţine elementul sensibil în formă de peliculă monocristalină din Sn0,98Ga0,02Te, obţinut prin depunerea materialului semiconductor supraconductor SnTe<Ga> pe substratul de fluorură de bariu BaF2, care include următoarele proceduri tehnologice: An experimental prototype was executed, which contains the sensitive element in the form of a single-crystalline film of Sn0.98Ga0.02Te, obtained by depositing the superconducting semiconductor material SnTe<Ga> on the barium fluoride substrate BaF2, which includes the following technological procedures:

– depunerea materialului semiconductor supraconductor SnTe<Ga> se execută pe substratul de fluorură de bariu BaF2, cu orientarea cristalină selectată, de exemplu, (111), (100) sau (110), în camera de creştere a instalaţiei de epitaxie moleculară cu fascicul (vid la nivelul de 10-11mm ai coloanei de mercur); – the deposition of the superconducting semiconductor material SnTe<Ga> is performed on the barium fluoride BaF2 substrate, with the selected crystalline orientation, for example, (111), (100) or (110), in the growth chamber of the molecular beam epitaxy installation (vacuum at the level of 10-11mm of the mercury column);

– depunerea materialului semiconductor supraconductor SnTe<Ga> se execută prin evaporarea din trei celule de tipul Knudsen, care au fost încărcate cu SnTe, Ga şi Te; – the deposition of the superconducting semiconductor material SnTe<Ga> is performed by evaporation from three Knudsen-type cells, which were loaded with SnTe, Ga and Te;

– controlul compoziţiei şi al grosimii stratului se execută cu ajutorul aparatelor, cu care este dotată instalaţia; – the composition and layer thickness control is performed using the devices with which the installation is equipped;

– studiul proprietăţilor electrofizice ale probelor de material semiconductor supraconductor SnTe<Ga> se execută la temperaturi joase în intervalul 0,4...4,2K; – the study of the electrophysical properties of samples of superconducting semiconductor material SnTe<Ga> is performed at low temperatures in the range of 0.4...4.2K;

– fabricarea elementului sensibil se efectuează prin scribing (incizia şi ruperea ulterioară). – the manufacturing of the sensitive element is carried out by scribing (incision and subsequent tearing).

În calitate de sursă a radiaţiei infraroşii se foloseşte rezistorul, radiaţia căruia se determină prin curentul care se scurge prin el. Totodată unicul parametru de lucru al dispozitivului este rezistenţa elementului sensibil. The source of infrared radiation is a resistor, the radiation of which is determined by the current flowing through it. At the same time, the only working parameter of the device is the resistance of the sensitive element.

Datorită gamei largi de detectare a radiaţiei infraroşii a bolometrului supraconductor este posibil de a folosi bolometrul în scopul înregistrării semnalelor infraroşii, obţinerii imaginii termice a diferitelor obiecte cu o variaţie mare a intensităţii, de exemplu, la filmarea suprafeţei pământului, apei, în diferite reţele opto-electronice de măsurare, circuite de comandă automată şi monitorizare a radiaţiei, etc. Due to the wide range of infrared radiation detection of the superconducting bolometer, it is possible to use the bolometer for the purpose of recording infrared signals, obtaining thermal images of various objects with a large variation in intensity, for example, when filming the surface of the earth, water, in various opto-electronic measuring networks, automatic control circuits and radiation monitoring, etc.

1. MD 3436 B2 2007.11.30 1. MD 3436 B2 2007.11.30

Claims

Superconducting bolometer, which contains a helium cryostat, in which a temperature controller and a sensitive element, made of a superconducting semiconductor, are located, to which a recording device is connected, characterized in that the sensitive element is made in the form of a single-crystalline film of gallium-doped tin telluride Sn1-xGaxTe, where x=0.01...0.0225, obtained by depositing the superconducting semiconductor material on a barium fluoride BaF2 substrate.