Регистрация / Вход
Прислать материал

Измерение отношения электронной и фононной теплоемкостей NbN

Сведения об участнике
ФИО
Баева Эльмира Миталиповна
Вуз
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования"Московский педагогический государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение
Тема
Измерение отношения электронной и фононной теплоемкостей NbN
Резюме
Нитрид ниобия NbN - низкотемпературный сверхпроводник, который является одним из ведущих материалов для сверхпроводникового детектора SSPD. Максимальный размер резистивной области при поглощении фотона SSPD зависит от времени охлаждения детектора, которое в свою очередь определяется отношением электронной и фононной теплоёмкостей материала. В данной работе исследовалось отношение электронной и фононной теплоемкостей пленки NbN. Для этого использовались различные упрощающие предположения, которые позволили свести уравнения теплового баланса к ряду линейных уравнений, решаемых на практике.
Ключевые слова
сверхпроводниковый однофотонный детектор, электронная теплоемкость, фононная теплоемкость, амплитудно-частотная характеристика, куперовская пара, резистивная область.
Цели и задачи
Целью научной работы являлось экспериментальное исследование отношения электронной и фононной теплоемкостей у образца из пленки NbN.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи
1. Изучение специальной литературы по рассматриваемой проблеме
2. Выбор оптимальной модели для расчета отношения теплоемкостей
3. Сборка экспериментального стенда и подготовка схемы измерений электронной температуры пленки NbN для выбранной теоретической модели.
Введение

На сегодняшний день в области однофотонной техники ИК-диапазона создаются высокочувствительные детекторы, одним из которых является сверхпроводниковый детектор (SSPD). Чувствительность такого детектора к падающим фотонам зависит от времени охлаждения детектора, которое определяется отношением электронной и фононной теплоёмкостей сверхпроводящей пленки нитрид ниобия NbN. В работе [3] автор поставил проблему нахождения отношения теплоемкостей у толстой пленки NbN. Однако, модель пренебрегала зависящими от толщины процессами. Актуальность выбранной мной темы связана с тем, что эта характеристика изучена недостаточно. И в связи с развитием технологий появилась возможность провести данное исследование для тонкой пленки.

Методы и материалы

       В работе [3] полученное отношение теплоемкостей для образца толстой пленки \({Ce\over Cp} = {1 \over 6}\)Однако в рамках данной модели не учитывалась диффузия электронов в подложку, которой можно пренебречь только в тонких образцах. Моделирование с использованием пакета MATLAB показало, что для тонких пленок данный эксперимент не подходит.

Для проведения эксперимента был выбран стационарный случай, когда производные из уравнений, описывающих процессы теплообмена в детекторе, равны нулю и дальнейшие упрощения приводят к формуле

\( {(Te-To) \over Prf} = {tesc \over Cp}+{teph \over Ce}\)

Где PRF - удельная мощность, поглощаемая электронной подсистемой, и Т0 - температура окружающей среды, Тe – электронная температура образца, V –объем образца.

Из данного уравнения нельзя напрямую получить отношение электронной и фононной теплоемкостей. В данном случае предполагается взять электронную теплоемкость по известной формуле, как и характерные времена термализации τes и τep.

 

Рис.1.

 Для того, чтобы получить δТ = T– T0, помещали образец в середину перехода нормальный металл-сверхпроводник R(T) в T0(b) при выключенном излучении. При облучении образца светом с мощностью РRF температура увеличивалась на δТ = T– T0 (рис.1). При малой мощности излучения лазера, эту разницу температур на кривой R(T) не увидеть. Поэтому потребовалось снятие вольтамперных характеристик (ВАХ) с излучением и без излучения, чтобы узнать изменение сопротивления δR с помощью них и найти δТ из кривой R(T).

 

Описание и обсуждение результатов

Была получена кривая R(T) которая демонстрирует падение сопротивления при понижении температуры ниже критической (рис.2).

Рис.2. Экспериментальная кривая зависимости сопротивления от температуры.

 

На рис. 3 изображены 8 ВАХ при 4х разных температурах окружающей среды. Расчет δR из ВАХ и далее δТ из кривой R(T) показали (рис.4), что при всех разных температурах ванны δТ имеет порядок 1мК.

 

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики при различных сопротивлениях (при температуре около Тс). Под воздействием излучения рабочая точка у каждой кривой(V0= 20 мВ) смещается вниз.

 

Рис.3. Рабочие точки соответствующие измеренным ВАХ на кривой R(T).

Для образца (SSPD) с очень узкой и длинной полоской сверхпроводника, изогнутой в виде меандра, изготовленной из пленки NbN толщиной 4нм NbN объем V=2×10-13 см3. В ходе работы была измерена Qe, которая составила 19%, при мощности лазера 220нВт откуда посчитана поглощенная мощность Рrad  = 2×10-3 Вт.

 

выводы

Выбрана модель эксперимента на основе упрощенного решения уравнений теплового баланса. На основе упрощенных уравнений были получены: вольт-амперные характеристики при разных температурах на переходе нормальный металл-сверхпроводник, мощность, которая попадает на детектор и квантовая эффективность, равная коэффициенту поглощения

Произведены расчеты отношения электронной и фононной теплоемкостей  \(Ce\over Cp\)= 3,3 при Тс = 11,4 К.

В рамках модели Дебая при данных  = 3,3 и Тс = 11,4 К, температура Дебая θд = 709К, что не соответствует теоретическим расчетам по аппроксимированной двухтемпературной АЧХ, где  \({Ce\over Cp}={1\over 6}\), (Ce =1,63·10-3 Дж/см3К-1, Cр =9,8·10-3 Дж/см3К-1) а θд = 300К, при Тс =8К. Различие в результатах [3] можно обосновать тем, что для расчетов выбрана неверная температура Дебая для NbN или пренебрежение диффузией в толстой пленке, что требует более глубоких исследований. Не исключается также погрешность в эксперименте, фактором которой является несовершенство установки для поддержания стабильной температуры на переходе нормальный металл-сверхпроводник.

 

Используемые источники
1. Anthony J. Reset dynamics and latching in niobium superconducting nanowire single-photon detectors. Appl. Phys., 2010.
2. Gol’tsman G. Okunev O. Picosecond superconducting single-photon optical detector. Appl. Phys. Lett., 2001.
3. Gusev U. Thesis NbN. 1993.
4. Kawamura J. Hunter T.R. AAS 198th Meeting, June 2001 [Conference] // Ground-based terahertz CO spectroscopy towards Orion. 2002.
5. Nebosis R.S. Semenov A.D.,Gousev Yu.P. Rigorous Analysis of a Superconducting Hot-Electron Bolometer Mixer:Theory and Comparison with Experiment, 1996.
6. Perrin N. Vanneste C. Response of superconducting films to a periodic optical irradiation. Physical Review B, 1983.
7. Wolfram H.P Kahl O., Pernice High Efficiency On-Chip Single-Photon Detection for Diamond Nanophotonic Circuits .Solid State Physics, 1976.
Information about the project
Surname Name
Baeva Elmira
Project title
The measurement of the ratio of electron and phonon specific heats for NbN film
Summary of the project
Niobium nitride NbN is a low-temperature superconductor, which is one of the leading materials for superconducting detector (SSPD) . The sensitivity of SSPD depends on the cooling time of the detector, which is determined by the ratio of the electron and phonon specific heats of the NbN film. In this paper we research the ratio of electron and phonon specific heats for NbN film. For this purpose, various assumptions were introduced, which allowed to simplify the heat balance equations by a linear equation being solved in practice. The theoretical and experimental work has allowed us to evaluate the characteristics of this material.
Keywords
SSPD, electron specific heat, phonon specific heat, frequency response, Cooper pair,