Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0046

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0046
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук
Название доклада
Терагерцовые интегральные приемники и генераторы на основе сверхпроводниковых наноструктур
Докладчик
Кошелец Валерий Павлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является создание и комплексное исследование твердотельных генераторов терагерцового (ТГц) диапазона на основе сверхпроводниковых наностуктур с относительно высокой мощностью (до 1 мВт) и широким диапазоном перестройки частоты (более 300 ГГц). Другой целью является исследование возможности создания интегральных приемных систем ТГц диапазона, принципиально важных для современных приоритетов прикладной науки – медицинская диагностика, системы безопасности, информационно-коммуникационные технологии.
Научной задачей, на решение которой направлен проект, является разработка и исследование новых типов интегральных генераторов и детекторов терагерцового (ТГц) диапазона с использованием сверхпроводниковых наноструктур, исследование физических механизмов их работы и создание на их основе практических устройств с уникальным набором параметров. В настоящее время существует ряд важнейших задач в радиоастрономии и астрофизике, спектроскопии газов, в области медицинской диагностики и при разработке систем безопасности, для решения которых необходимо создание новых типов генераторов и приемников электромагнитного излучения в ТГц диапазоне частот (100 ГГц - 10 ТГц).
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время существует ряд важнейших задач в радиоастрономии и астрофизике, спектроскопии газов, в области медицинской диагностики и при разработке систем безопасности, для решения которых необходимо создание новых типов генераторов и приемников электромагнитного излучения в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот. Данный диапазон сравнительно мало освоен, здесь пролегает граница между радиотехническими и квантовыми оптическими методами генерации и приема сигналов, поэтому его иногда называют «терагерцовой щелью». Целью настоящего проекта является создание и комплексное исследование твердотельных генераторов ТГц диапазона на основе сверхпроводниковых наностуктур с относительно высокой мощностью и широким диапазоном перестройки частоты; такие параметры недостижимы для традиционных технологий и подходов. Сверхпроводниковые генераторы на основе наноструктур будут способны закрыть подавляющую часть «терагерцовой щели»; на их основе возможна разработка перспективных технологий диагностики материалов в терагерцовом диапазоне, обеспечивающих высокую информативность и достоверность. Генераторы и интегральные приемники терагерцового диапазона могут найти применение в таких областях, как радиоастрономия, спектроскопия, мониторинг атмосферы Земли, а также других современных областях науки и техники, требующих построения точных изображений объекта исследования, например, медицинская диагностика и системы безопасности. Не менее важным является возможность создания интегральных приемных систем терагерцового диапазона, принципиально важных для другого приоритета прикладной науки – информационно-коммуникационных технологий.
Описание исследования

Для достижения основной цели данного проекта – создания сверхчувствительных интегральных приемных устройств терагерцового диапазона, где в одном устройстве объединены как смесительные элементы, так и гетеродин – проведён целый ряд научных исследований и разработок; многие из них являются пионерскими. Основные пути и методы решения поставленных задач:
•           Разработка и моделирование микросхемы терагерцового интегрального приемника для исследования излучения сверхпроводникового генератора на основе туннельных наноструктур (разрабатываемого иностранным партнером) в диапазоне 450 – 700 ГГц. Оптимизация технологии изготовления экспериментальных образцов микросхем интегрального приемника на основе туннельных наноструктур Nb/AlN/NbN с плотностью тока не менее 10 кА/см2.
•           Для существенного повышения рабочей частоты интегральных приемных устройств (до частот порядка 1 ТГц) необходимо создать и исследовать сверхпроводниковые генераторы гетеродина на основе туннельных наностуктур с величиной энергетической щели до 5 мВ. Для решения этой задачи разработана технология изготовления интегральных микросхем с использованием пленок NbN и NbTiN и микрополосковых линий из NbTiN с верхним электродом из алюминия, что позволит существенно сократить потери на частотах порядка 1 ТГц.
•           Важнейшей задачей проекта является разработка генераторов непрерывного излучения с частотой 1 ТГц и выше на основе естественной кристаллической системы Bi2Sr2CaCu2O8 (BSCCO), содержащей до 1000 джозефсоновских переходов, работающих синхронно. Для оптимизации спектральных характеристик генераторов нового поколения использован сверхчувствительный приемник, созданный исполнителями проекта, с разрешением не более 1 МГц.
•           Еще одной задачей проекта является детальное исследование механизмов и режимов генерации терагерцового излучения из BSCCO структур, изучение механизмов взаимодействия отдельных переходов и влияния параметров структуры на характеристики осциллятора, исследование возможности синхронизации изучения с внешним опорным генератором, что является принципиальным для многих практических приложений. Эти исследования выполняются иностранным партнером с участием российских ученых.
•           Принципиальным является исследование возможности создания интегральных приемных систем на основе BSCCO структур с использованием концепции, разработанной и апробированной участниками из России для СИС переходов на основе ниобия. Для решения этой задачи использованы различные типы смесителей (джозефсоновские ВТСП переходы, структуры на основе горячих электронов – НЕВ, а также СИС переходы с высоким значением щелевого напряжения).

Результаты исследования

Прежде всего, был проведён глубокий анализ данной тематики на основе тщательного обзора современных существующих генераторов и
приёмников ТГц частотного диапазона. Был проведён обзор литературы, посвящённый разработке интегральных приёмных систем в ТГц области частот. Проведена отладка технологии изготовления интегральных наноструктур с использованием пленок NbN, разработан лабораторный технологический маршрут изготовления интегрального приёмника на их основе. Разработаны программы и методики испытаний сверхпроводникового ТГц генератора и экспериментальных образцов микросхемы интегрального приемника на основе туннельных наноструктур Nb/AlN/NbN.

Соисполнителями проекта, учёными из Нанкинского университета (Иностранный партнёр по проекту), был проведён глубокий анализ источников, посвящённых разработке твердотельных генераторов ТГц диапазона. Наиболее перспективным и актуальным на сегодняшний день ТГц типом генераторов для интеграции с высокочувствительными детекторами является сверхпроводниковый терагерцовый генератор (СТГ) на основе высокотемпературного сверхпроводника Bi2Sr2CaCu2O8. Разработаны генераторы непрерывного излучения с частотой 1 ТГц и выше на основе естественной кристаллической системы Bi2Sr2CaCu2O8 (BSCCO), содержащей до 1000 джозефсоновских переходов. Разработаны и апробированы методики измерения спектральных характеристик генераторов нового поколения с использованием приемника, созданного исполнителями проекта. Проведен анализ механизмов и режимов генерации терагерцового излучения из BSCCO структур, апробированы методы синхронизации изучения с внешним опорным генератором.

Принципиальная новизна научно-технологического решения заключается в интегрировании опорного генератора гетеродина и приёмного элемента в одном устройстве: на одной интегральной микросхеме либо в одном смесительном блоке. Разработкой интегральных приёмных систем и генераторов в ТГц диапазоне частот занимаются лишь несколько групп в мире, в т.ч. в Японии и Европе. Все эти работы являются пионерскими, ни одна из мировых групп не достигла уровня практического применения интегральных приёмников ТГц диапазона.

Практическая значимость исследования
Разработанные в ходе выполнения проекта интегральные приемники и генераторы терагерцового диапазона найдут применение в радиоастрономии, спектроскопии, медицинской диагностике, для спектральных исследований атмосферы и при создании систем безопасности. Интегральные приемные устройства на основе туннельных СИС-структур будут иметь предельную (квантовую) чувствительность и высокое спектральное разрешение, что делает их незаменимыми для целого ряда приложений. Создаваемые в ходе выполнения проекта интегральные приемные устройства на основе туннельных наноструктур обладают уникальным набором параметров, недостижимым при использовании обычных технологий. Это объясняется как чрезвычайно высокой характерной частотой и сильной нелинейностью таких элементов, так и их предельно низкими собственными шумами, обусловленными природой элементов и криогенной рабочей температурой. Интегральные приемники особенно перспективны для радиоастрономии, пассивной и активной радиолокации, а также мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников или специальных самолетов, где вес, габариты и энергопотребление источников гетеродина существенно ограничиваются грузоподъемностью носителя.
Разрабатываемые иностранными партнерами сверхпроводниковые генераторы гетеродина на основе BSCCO структур с рабочими частотами порядка и выше 1 ТГц позволят существенно расширить область применения интегральных приемных структур для задач спектроскопии, медицинской диагностики и систем безопасности. Основными преимуществами сверхпроводниковых генераторов является возможность их интеграции на одной микросхеме с антенной и смесителем, малая потребляемая мощность и низкое тепловыделение, недостижимая для других генераторов ширина области перестройки частоты, в несколько раз превосходящая значения для лучших полупроводниковых гетеродинов.
Разработка терагерцовых интегральных приемников и генераторов на основе сверхпроводниковых наноструктур является приоритетной также и для области информационно-коммуникационных технологий. Предлагаемые разработки вносят вклад в создание элементной базы терагерцовых электронных устройств и могут быть использованы при создании систем связи терагерцового диапазона и ближненпольной терагерцовой микроскопии.
Постер

Poster_Интер.ppt