氮化铌超导纳米线及其单光子探测器件应用基础研究

发布时间：2021-10-13 10:53

　　单个光子是光的最小基本单位,实现单个光子的探测是探测技术领域最重要突破之一。目前,单光子探测技术已经在荧光光谱学、核侦查和量子通信等领域得到广泛运用。其中,超导纳米线单光子探测器因具有高效率、低噪声、低时间抖动而逐渐成为主流的单光子探测技术。氮化铌是一种有代表性的超导材料,因具有较高的转变温度、良好的稳定性,被广泛运用于超导纳米线单光子检测器件中。对于单光子探测器件来说,超导薄膜质量是决定器件性能的关键因素之一,因此,生长高质量的超导氮化铌薄膜是制作高效超导纳米线器件的关键。本文首先分别以磁控溅射和聚合物辅助沉积法两种方法生长超薄超导氮化铌薄膜,研究了不同工艺、不同条件下生长薄膜的质量与性能;随后利用电子束直写与反应离子束刻蚀的方法制备了超导纳米线单光子器件;最后,我们基于聚合物辅助沉积法发展了一种电子束直写纳米线图案技术,为今后新型超导纳米线的制作及其潜在的单光子应用提供了基础。具体内容包含以下四个部分:1.磁控溅射法制备超薄超导氮化铌薄膜。利用磁控溅射法在氧化镁基底上进行薄膜沉积,并逐一研究不同溅射条件对薄膜性能的影响。在得到最优的溅射参数后,最终在氧化镁基底上生长出厚度为5 nm... 

【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：80 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－１探测器原理示意图

ｐｓ?？１〇ｋｃｐｓ??在?２１０Ｋ??多阳极ＰＭＴ?可见到近红外?５?＊１５％可见?ｗ?ｉ〇ｍＨｚ?５０－３００ｐｓ?？５０ｋｃｐｓ??１０－２５％近ｆｌ：外?Ｐ?波长?１－７Ｍｍ??ＴＥＳ?可见－１．５ｎｍ?９５％?１００ｋＨｚ?１００ｎｓ?－３ｃｐｓ??超导单光子检测?ＵＶ－１．５ｍｉｔｉ?９８％（潜在）?ＧＨｚ?－１０ｐｓ?小１０ｃｐｓ??表ｉ－ｉ各类探测器的指标参数比较??１．１．２?ＳＮＳＰＤ的工作机理??ＳＮＳＰＤ器件的光子探测的工作原理如图１－２所示，可以分为六个阶段［１２，?１３］。??当ＳＮＳＰＤ器件在特定的工作温度下（一般约为４．２Ｋ）时，此刻纳米线处于超导态。??同时在纳米线的两端加上一个偏置电流（Ｉｃ），由于所加偏置电流低于纳米线的超导??临界电流，此刻纳米线仍然表现出超导状态，也不会出现电流阻抗，如图丨－２⑴所??不。??（ａ）?（ｂ）??Ｊ｜（＼??⑴華」＞：、＇、??、—■？議?＾?。！?■?ｒ?飞」??Ｔｉｍｅ?（ｎｓ）??图１－２?（ａ）?ＳＮＳＰＤ的工作原理简易示意图（ｂ）器件输出的电压模拟信号??３??

氮化铌超导纳米线及其单光子探测器件应用基础研究?第一章绪论??图１－３所示［１６］。首先在蓝宝石（Ａｋ〇３）基底生长出厚度约为５?ｎｍ的超薄超导氮化??铌（Ｎｉｏｂｉｕｍ?ｎｉｔｒｉｄｅ，?ＮｂＮ）薄膜，随后将其刻蚀成２００?ｎｍ宽、１＿３叫长的超导纳米??线，最终将其制作成单光子探测器件（图ｌ－３ａ）。经过探测，该器件成功实现了在８１０??ｎｍ波段的近红外光的探测，其单光子探测效率达到了?２０％?（图ｌ－３ｂ）。??（ａ）?气／?（ｂ）??Ｉ?°－１－?／?Ｊｎ??ｙ（，？ｎ．?〇．Ｊ?．?，?．??，沁?１０－６?ｋｍ?１０－２?１?ｉ〇〇??＼?Ａｖｅｒａｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆ?ｐｈｏｔｏｎｓ?ｐｅｒ?ｐｕｌｓｅ??１?＾（／｜｜１１）?ｉｎｃＷｗｔ?ｏｎ?ｔｈｅ?相ｖｉｃｅ??０??图１－３?（ａ）?Ｇｏｌ’ｔｓｍａｎ小组制备的首个ＳＮＳＰＤ器件图（ｂ）测试结果图??（ａ）?（ｂ）??■?１０？?Ｉ?￣￣ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??ｇ?ＵＨ「．ＤＥ？ｒ＾?ｎ??０．４?０．８?１ＪＳ?１．６?ＺＯ?２．４?２＾?３．２??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?…ｍ＞??图１－４蜿蜒结构的ＳＮＳＰＤ器件图。（ａ）蜿蜒纳米线ＳＥＭ图（ｂ）探测效率图??为了得到更高的效率，该小组也对ＳＮＳＰＤ的结构进行多次的优化。次年（２００２??年），该小组将单根的纳米线制成蜿蜒的纳米线（Ｍｅａｎｄｅｒ＿ｌｉｎｅ），用于提髙光子的耦合??效率，如图ｌ－４ａ所示［１７］。这一方法大大的提高了?ＳＮＳＰＤ的探测面积和耦合效率，??并在０．４?波段探测到接近７０％的本征量子效率，在１．５５阿波段成功实现了?０．２％??５??

【参考文献】：
期刊论文
[1]超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响[J]. 张森,陶旭,冯志军,吴淦华,薛莉,闫夏超,张蜡宝,贾小氢,王治中,孙俊,董光焰,康琳,吴培亨.  物理学报. 2016(18)



本文编号：3434517