Регистрация / Вход
Прислать материал

Сверхпроводниковые и
полупроводниковые наноструктуры и их применение в радиофизике и электронике

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Продолжительность работ
2009 - 2011, 25 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Внебюджетные средства
2,7 млн

Информация отсутствует

Соисполнители

Организация
АО "СКОНТЕЛ"

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Окунев Олег Валерьевич

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 30.09.2009
На 1 этапе работы были получены следующие результаты:
1. разработан технологический маршрут изготовления сверхпроводниковых однофотонных детекторов из пленки NbN толщиной 4 нм;
2. изготовлены тестовые партии сверхпроводниковых однофотонных детекторов;
3. измерена спектральная чувствительность сверхпроводниковых однофотонных детекторов:
квантовая эффективность при температуре 4.2 К:
на длине волны 1.3 мкм: 7%
на длине волны 1.55 мкм: 3%
квантовая эффективность при температуре 2 К:
на длине волны 1.3 мкм: ~30%
на длине волны 1.55 мкм: 15%
на длине волны: 5 мкм: 0.4%
4. минимальная измеренная скорость темнового счета: 2x10-4 с-1 ;
5. изготовлены тестовые партии сверхпроводниковых однофотонных детекторов в виде параллельно соединенных полосок;
6. измерены длительности фотоотклика сверхпроводниковых однофотонных детекторов, имеющих 1, 2, 5, 7, 12 параллельно соединенных полосок, покрывающих площадь 10 мкм х 10 мкм, а также измерена нестабильность временной задержки переднего фронта импульса (джиттере). Время спада уменьшается в зависимости от числа параллельных полос N, как 1/N2, минимальная длительность импульса напряжения фотоотклика измерена для N=12, и составляет 200 пс при джиттере 16 пс;
7. разработан технологический маршрут и получены ультратонкие сверхпроводящие NbZr пленки на сапфире и GaAs подложках и NbN пленки на GaAs подложках;
8. изготовлены NbN HEB смесители с in situ золотыми контактами;
9. создан экспериментальный стенд для измерения характеристик гетеродинных приёмников;
10. созданы образцы сверхпроводниковых смесителей на горячих электронах с рекордным значением полосы преобразования 6.5 ГГц;
11. исследована зависимость полосы преобразования сверхпроводниковых смесителей от длины чувствительного мостика;
12. исследованы частотные зависимости коэффициентов отражения и пропускания неоднородной дисперсной среды, содержащей рудные минералы (медно-никелевая руда), а так же самих минералов, слагающих данную горную породу в диапазоне частот 10-40ГГц и 70-300ГГц;
13. разработана методика измерений частотных зависимостей коэффициентов отражения и пропускания
14. собраны экспериментальные стенды для измерения частотных зависимостей коэффициентов отражения и пропускания минералов и горной породы в диапазоне частот 10-40 ГГц и 70-300ГГц
15. разработана электродинамическая модель комплексной диэлектрической проницаемости многофазной дисперсной среды горной породы в диапазоне частот 10-300ГГц
16. получены частотные зависимости действительной и мнимой части эффективной диэлектрической проницаемости рудных минералов в диапазоне частот 10-40ГГц и 70-300ГГц.
17. разработана технология изготовления экспериментальных образцов AlGaAs/GaAs структур в виде одиночных мостиков, в Холловской геометрии и геометрии Ван дер-Пау
18. разработан программно-аппаратный комплекс (ПАК), предоставляющий возможность проведения электронной литографии, который был внедрен и эксплуатируется на растровом электронном микроскопе JEOL JSM- 6380.
Развернуть
2
01.10.2009 - 30.11.2009
Результаты работы, полученные на 2 этапе:
1) Разработан технологический маршрут изготовления сверхпроводниковых детекторов с разрешением числа фотонов, и изготовлены опытные образцы таких дететкоров. Получены фотоотклики различных амплитуд, свидетельствующие об одновременной регистрации одного, двух, трёх и четырёх фотонов. Измерена квантовая эффективность и скорость темнового счёта. Для лучшего образца квантовая эффективность составила 2%.
2) Установлено, что СВЧ цепь обратной связи может устранить дрейф выходной мощности HEB приемника, таким образом увеличивая время Аллана до 10 с.
3) Измерена полоса преобразования HEB-смесителя. Получены полосы преобразования 3.5 ГГц и 6.5 ГГц для смесителей с длинами 0.35 мкм и 0.12 мкм, соответственно, превышающие типичную частоту среза для смесителя с фононным каналом охлаждения на кремниевой подложке без буферного подслоя (3ГГц). Этот факт указывает на включение диффузионного канала у смесителей, изготовленных по технологии in situ.
4) Измерена шумовая температура HEB-смесителя, наименьшее значение которой составляет 750 K
5) Отсутствие признаков 1/f шума в графике дисперсии Аллана для тракта ПЧ указывает на то, что этот тип шума может быть вызван либо самим смесителем, либо гетеродином. В режиме полной мощности интегрирование можно проводить в течение примерно 10 с без ухудшения отношения сигнал-шум. В случае открытой цепи, интегрирование в течение того же времени приведет к деградации работы приемника.
6) Выработаны требования к времени формирования кадра теплового изображения. Исходя из измеренных значений полосы преобразования (~ 6 ГГц) и шумовой температуры приёмника (750 K) принципиально достижимое время формирования одного пикселя изображения близко к 10 мкс, что позволяет отрисовывать кадр, состоящий из 20000 пикселей за 1/5 с.
7) Измерены вольтамперные характеристики образцов AlGaAs/GaAs структур в виде двойных холловских мостиков, одиночных мостиков и геометрии Ван дер-Пау, а также определено контактное сопротивление образцов, которое составляет около 10 Ом.
8) На основе известных величин действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости рудных минералов рассчитана эффективная диэлектрическая проницаемость дисперсной среды для образцов породы медно-никелевой руды с низким процентным содержанием полезных компонентов («бедной» породы») и с высоким процентным содержанием («богатой» породы») в диапазоне частот 70-130ГГц с использованием модели Максвелла Гарнетта и Полдера - Ван Сантена; рассчитаны частотные зависимости коэффициентов отражения для «богатой» и «бедной» породы медно-никелевой руды в диапазоне частот 70-130 ГГц;
9) Разработан метод эффективного оптического согласования излучения с детектором в широком спектральном диапазоне от 0,78 до 1,55 в одномодовом режиме работы волокна. Эффективность согласования составляет не менее 80%.
10) Измерена флуктуационная температура радиометра. С уменьшением величины входного сигнала флуктуацонная чувствительность приближается к своему предельному значению и при величине входного сигнала ниже 50 К флуктуационная чувствительность достигает своего предельного значения, соответствующего расчетному значению.
Характеристики созданных устройств соответствуют требованиям Технического задания.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
Результаты работы, полученные на 3 этапе:
1. Разработан технологический маршрут изготовления сверхпроводниковых однофотонных детекторов из пленки MoRe. Планарная конфигурация наноструктуры – сверхпроводящая полоска шириной 100 нм, выполненная с точностью 3 нм в виде меандра с заполнением ½ на площади 77 мкм.
2. Изготовлено и протестировано не менее одной партии образцов сверхпроводниковых однофотонных детекторов в виде меандров размером 7 мкм х 7 мкм с шириной полоски 100 нм из пленки MoRe.
3. Изготовлены ультратонкие сверхпроводящие пленки NbZr толщиной 5 нм и пленки NbN толщиной 3 нм на подложках из GaAs.
4. Созданы две партии чипов терагерцовых смесителей на основе наноплёнок NbN (11 шт.) и NbZr (11 шт.)
5. Разработана методика измерения зависимости полосы преобразования НЕВ смесителей их планарных размеров. Исследована зависимость полосы преобразования НЕВ смесителей их планарных размеров.
6. Разработан новый тип интегрального супергетеродинного приемника, в котором HEB-смеситель интегрирован со сверхпроводящим генератором (гетеродином) и гармоническим смесителем, предназначенным для фазовой автоподстройки частоты гетеродина. Получены основные рабочие характеристики приемника.
7. Разработан и исследован метод определения числа фотонов в ИК импульсе. Создана экспериментальная установка для определения числа фотонов в импульсе на основе сверхпроводникового однофотонного детектора, представляющего собой структуру в виде меандра, состоящего из нескольких секций, соединенных параллельно. Принцип действия основан на пространственном мультиплексировании фотонов.
8. Разработана методика измерения коэффициентов пропускания и поглощения различных диэлектриков в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Получены спектральные характеристики пропускания и поглощения микроволнового излучения для некоторых типов материалов, из которых может быть изготовлена верхняя одежда.
9. Измерены вольтамперные характеристики образцов AlGaAs/GaAs структур в виде двойных холловских мостиков, одиночных мостиков и геометрии Ван дер-Пау, а также определено контактное сопротивление образцов.
10. Измерены зависимости времени энергетической релаксации двумерных электронов в гетероструктурах AlGaAs/GaAs от мощности энергетических потерь в расчете на один электрон Ре методом миллиметровой/субмиллиметровой спектроскопии с высоким временным разрешением.
11. Установлено, что для смесителей на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs мощность потерь энергии превышает Qe-ph(Те) , и при повышении температуры потери энергии можно описать кривой диффузии разогретых электронов в контакты Qdiff(Те).
12. Впервые проведена апробация четырехпотоковой теории Кубелки и Мунка к расчету распространения когерентного излучения в неоднородной дисперсной среде с диэлектрическими рассеивателями для образцов породы медно-никелевой руды с низким процентным содержанием полезных компонентов («бедной» породы») и с высоким процентным содержанием («богатой» породы») в диапазоне частот 10-130 ГГц.
13. Впервые разработана физическая модель для оценки коэффициента отражения от шероховатых поверхностей рудного вещества на основе фрактального подхода описания реальной поверхности рудного образца в диапазоне частот 70-130 ГГц;
Характеристики созданных устройств соответствуют требованиям Технического задания.
Развернуть
4
01.07.2010 - 30.11.2010
4.1. Разработка технологического маршрута изготовления и исследование метода повышения чувствительности однофотонного детектора с применением оптического резонатора.
4.2. Сравнительное исследование смесителей микроволнового излучения на основе NbZr и NbN структур на Si и GaAs подложках.
4.3. Разработка и создание квазиоптической части лабораторного макета тепловизора.
4.4. Разработка теоретической модели процессов энергетической релаксации
электронов в гетероструктурах AlGaAs/GaAs при различной степени разогрева электронного газа и различной энергии кванта греющего высокочастотного электромагнитного излучения.
4.5. Разработка методики и создание лабораторной установки и исследование
спектральных зависимостей коэффициента отражения (пропускания) рудных и нерудных минералов в микроволновом диапазоне длин волн.
4.6. Разработка и создание программного
обеспечения для сбора видеоинформации и построения теплового изображения на экране монитора. Исполнитель — «Сконтел».
4.7. Разработка технологического маршрута изготовления и эффективного метода согласования однофотонного детектора с разрешением числа поглощенных фотонов. Исполнитель - «Сконтел».
Развернуть
5
01.01.2011 - 30.04.2011
5.1. Создание лабораторного стенда и исследование характеристик (квантовая
эффективность, скорость темнового счета, длительность импульса фотоотклика, джиггер) сверхпроводниковых однофогонных дегекгоров. Создание физической модели образования фогоогклика в МоRе сверхпроводящих наноструктурах.
5.2. Разрабогка и создание лабораторных макетов радиометров на основе НЕВ смесителей из сверхпроводящих наноплёнок на частоты 0,3 ТГц, 2,5ТГц и ЗОТГц.
5.3. Исследование влияния возмущающих факторов (препятствия из различных материалов, среда распространения излучения и ее характеристики) на качество
получения в диапазоне частот 200 ГТц-600 ГГц теплового изображения
распределения температуры нагретых объектов.
5.4. Исследование зависимосги времени энергетической релаксации от концентрации двумерных электронов в полупроводниковых гетеросгруктурах AlGaAs/GaAs и разработка аналитической модели для электрон-фононной релаксации в гетероструктурах AlGaAs/GaAs при изменении концентрации двумерных носителей. Определение оптимальной концентрации двумерных электронов гетероструктур AlGaAs/GaAs для создания на их основе смесителей
миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
5.5. Разработка методики и создание лабораторной установки для определения элементного и минерального состава образцов медно-никелевой и марганцевой руды с различным процентным содержанием химических элементов в исходных кусковых образцах руды.
5.6. Проведения технико-экономической оценки и перспективы коммерциализации результатов НИР соответствии с нормативными актами Роснауки
5.7. Разработка лабораторного макета приемной системы на основе
сверхпроводникового детектора с разрешением числа фотонов в одномодовом оптоволоконном тракте. Исполнитель - «Сконтел».
5.8. Исследование особенности работы сверхпроводникового НЕВ смесителя с
накачкой гетеродином на основе генератора Ганна и полупроводникового утроителя частоты. Разработка и создание лабораторного макета тепловизора на частоте ЗООГГц с применением твердотельного гетеродина. Исполнитель - "Сконтел".
Развернуть
6
01.05.2011 - 31.08.2011
6.1. Разработка метода измерения сверхмалых мощностей оптического
излучения с использованием сверхпроводникового однофотонного детектора. Создание экспериментального образца двухканального коррелятора и
разработка корреляционной методики исследования одно- двухфотонных
источников.
6.2. Оптимизация геометрии чувствительных элементов смесителей на горячих электронах из наноплёнок NbZr и NbN.
6.3. Исследование технических характеристик лабораторного макета
тепловизора на частоте ЗООГГц. Разработка требований к техническому заданию на ОКР тепловизора микроволнового диапазона.
6.4. Изготовление экспериментальных образцов смесителей на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур диапазона 1 00-600 ГГц, сопряженных с планарной широкополосной спиральной антенной и исследование их характеристик.
6.5. Исследование коэффициентов отражения и пропускания медно-никелевой руды в субмиллиметровом диапазоне. Выработка требований к техническому заданию на проведение ОКР по созданию сепаратора медно-никелевой и марганцевой руды на основе исследования медно-никелевой руды в субмиллиметровом диапазоне.
6.6. Подготовка научно-методических материалов по курсам: «Квантовая
электроника», «Физика сверхпроводниковых наноструктур», «Цифровые сверхпроводниковые устройства и их применение в телекоммуникации и измерительной технике», связанных с тематикой проводимых исследований.
6.7. Разработка приемной системы на основе сверхпроводникового детектора с
разрешением числа фотонов. Исполнитель - «Сконтел».
6.8. Составление технического задания на ОКР «Двухканальная система регистрации одиночных фотонов видимого и ИК диапазонов с оптоволоконным вводом излучения». Исполнитель - «Сконтел».
6.9. Создание экспериментального лабораторного макета радиометра на
диапазон 0,8 ТГц. Разработка методик и проведение прикладных исследований
Исполнитель - «Сконтел».
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2015 - 2016, 13 мес.
Бюджетные средства
14 млн
профинансировано
Разработка и исследование смесителей и детекторов на основе сверхпроводниковых планар-ных наноструктур 1. Разработка низкотемпературных высокочувствительных сверхпроводящих однофотонных детекторов. 2. Отработка технологии элементов сверхпроводниковых болометров терагерцового диапазона волн. 3. Создание и исследование сверхпроводниковых наноструктур на основе NbN. 4. Исследование флуктуационной чувствительности сверхпроводникового приемника. 5. Изготовление ультратонких сверхпроводящих пленок NbN. 6. Сравнительное исследование характеристик HEB-смесителей, и SIS-смесителей, интегрированных с FFO-гетеродином. 7. Исследование поглощения электромагнитных волн миллиметрового диапазона мультислойными наноструктурами. 8. Нанодетекторы для криптографии. 9. Физика полупроводниковых и сверхпроводниковых терагерцовых наноструктур. 10. Исследование эффективности преобразования и шумовых характеристик гетеродинного HEB-приёмника ближнего ИК диапазона. 11. Исследование сверхпроводникового интегрального приемни
Продолжительность работ
2011, 5 мес.
Бюджетные средства
2,2 млн
профинансировано
Тема
Туннельно-связанные полупроводниковые наноструктуры для эпитаксиально-интегрированных мощных источников излучения.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 14 мес.
Бюджетные средства
10 млн
Количество заявок
1
Тема
«Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области радиофизики, акустики и электроники»
Продолжительность работ
2009 - 2011, 29 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
35
Тема
Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области радиофизики, акустики и электроники
Продолжительность работ
2010 - 2012, 31 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
32
Тема
Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области радиофизики, акустики и электроники
Продолжительность работ
2010 - 2012, 27 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
26
Тема
НК-18П Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Радиофизика, акустика и электроника» в рамках мероприятия 1.2.1 Программы
Продолжительность работ
2009 - 2011, 28 мес.
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
31