高效率大面积超导纳米线单光子探测器研究

发布时间：2017-01-18 19:13

  本文关键词：高效率大面积超导纳米线单光子探测器研究，，由笔耕文化传播整理发布。

《南京大学》 2015年

高效率大面积超导纳米线单光子探测器研究

顾敏  

【摘要】：单光子探测技术是量子信息和量子通信研究中的重要一环,是实现对单量子态进行操控、处理和研究的技术前提。而超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种最新的单光子检测技术,它具有高效、快速、准确地探测单光子,同时暗计数低、响应频谱宽等特点,是当前单光子探测技术研究领域中的热门研究方向。经过近年来的发展,SNSPD表现出比其他现有单光子探测器更优异的性能。在探测效率方面使用NbN材料制备的探测器,其在1550 nm波段的系统探测效率已经达到70%以上,而此时的暗计数却只有100 Hz。同时NbN SNSPD的时间抖动也能够达到50 ps,重复速率理论上超过100 MHz。由于超导纳米线单光子探测器非常突出的性能,近几年来,它被广泛应用于量子保密通讯、集成电路检测、生物荧光检测、单光子源标定、分布式光纤传感还有深度成像等领域。本文以理论计算优化模型设计参数和实验研究并重,对超导纳米线单光子探测器进行了一番深入的研究。具体的研究成果主要包括以下几个方面：1.设计了利用光学薄膜谐振腔的、有效探测面积为30 μm×30μm的高效SNSPD,并对其结构进行了仿真优化。使用磁控溅射研究制备出大面积、均匀的超薄NbN薄膜(4-6 nm)。在电子束曝光中通过曝光图形的优化设计、控制加速电压等一系列手段对曝光过程中出现的邻近效应进行校正。系统分析研究了几种电子束抗蚀剂的分辨率、灵敏度等曝光性能,通过调节优化胶膜厚度、曝光剂量、显影条件以及RIE刻蚀工艺的优化,完成了对大面积纳米线条宽度、均匀性和边缘陡直度的精细控制。成功制备出均匀、陡直性非常好的大面积纳米线条并用它制备出了SNSPD.研制的大有效探测面积的SNSPD,对1550 nm光信号,当暗计数为100cps时,系统探测效率达到72.4%,最大系统探测效率是77.2%。对1650 nm光信号的最大探测效率达到81.2%。器件的性能指标达到国际主流水平。2.设计出了相位光栅与光学薄膜谐振腔组成的新型复合光学结构,并将其运用于SNSPD中。使用FDTD软件对这种复合光学结构进行了数值计算和优化。首先对波长为404 nm的入射光,设计了具有单一相位光栅结构的NbN SNSPD,当NbN纳米线线宽为200 nm时,NbN纳米线最高能获得95%的光子吸收率。考虑到制备工艺的可行性和器件应用的领域。我们将器件的工作波长定为850nm,为发挥宽波段的特性,我们有增加了谐振腔的设计。使用FDTD软件,通过对光学结构参数的调节,这种集成相位光栅和光学薄膜谐振腔的复合结构的NbN SNSPD,在相位光栅周期为1“m,单个周期内纳米线为4根宽80 nm的NbN线条,且占空比在1：1的情况下,NbN纳米线可以获得约72%的光子吸收率。并且在684 nm,732 nm,798 nm,924 nm,1256 nm和1426 nm波段上,NbN纳米线的吸收效率也均超过了40%,实现了在宽频段上具有高探测效率的SNSPD的设计。这种复合光学腔结构的SNSPD,由于一个周期内只有一半的面积上覆盖有NbN纳米线,纳米线的长度仅为传统谐振腔结构SNSPD的一半,器件的探测速率和响应时间将获得很大改善。由于有大面积SNSPD器件研制的基础,我们在设计时,充分评估了工艺制备的可行性,利用现有工艺完全可以实现这种复合光学腔结构的SNSPD的制备。为研制具有宽工作频段、高检测效率和高探测速率的超导单光子探测器奠定了基础。3.利用Nb5N6薄膜作为缓冲层,制备了具有高转变温度和临界电流密度的NbN SNSPD。对器件的性能表征显示,我们使用生长在30 nm厚Nb5N6薄膜上的5 nm厚NbN薄膜制备SNSPD。在工作温度为2.3 K时,它的超导临界电流达到38μA。当入射光波长为415 nm时,系统探测效率最高,为13.95%,此时的偏置电流为36.1μA,暗计数为21 cps。同时动态电感只有297.8 nH,远小于同类NbN SNSPD的500 nH。这意味着恢复时间大大缩短,本征探测速率得到较大提高。

【关键词】：
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN15;O413
【目录】：

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1 ;Character and fabrication of Al/Al_2O_3/Al tunnel junctions for qubit application[J];Chinese Science Bulletin;2012年04期

2 吴青林;刘云;陈巍;韩正甫;王克逸;郭光灿;;单光子探测技术[J];物理学进展;2010年03期

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2 喻志农;相龙锋;薛唯;王华清;卢维强;;离子辅助反应蒸发技术室温制备ITO薄膜[J];北京理工大学学报;2007年10期

3 李海凤;牛玉超;苏超;王志刚;陈莎莎;孙希刚;;工艺参数对直流磁控溅射膜沉积的影响[J];表面技术;2009年05期

4 郑晓峰;曾其勇;李柱;吴凯;朱明;;NiCr-NiSi传感器薄膜附着力测试与分析[J];表面技术;2012年02期

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6 赵源深;杨丽红;;薄膜热电偶温度传感器研究进展[J];传感器与微系统;2012年02期

7 穆武第;程海峰;唐耿平;;射频磁控溅射制备Bi_2Te_3热电薄膜[J];材料导报;2007年S3期

8 于艳辉;哈日巴拉;徐传友;宋艳艳;;纳米二氧化钛光催化剂研究进展[J];材料导报;2008年S1期

9 王永杰;付勇;李智超;杨宏杰;王统领;;离子辅助沉积法制备纳米TiO_2光催化薄膜[J];材料导报;2008年S1期

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1 刘韧;李海燕;李佳;;提高石英基片Cr/Au掩膜抗腐蚀性的试验性研究[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年

2 穆武第;程海峰;唐耿平;陈朝辉;;直流磁控溅射制备PbTe薄膜[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（4）[C];2007年

3 刘延辉;岑少易;周细应;;磁控溅射制备锌薄膜的工艺与分析[A];2008全国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2008年

4 肖娜;杨波;裴文利;任玉平;赵骧;秦高梧;;引导层Ta的沉积条件对磁性层Co_(77)Pt_(23)取向及磁性能的影响[A];2009中国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2009年

5 周萍;吕学超;张永彬;赖新春;郎定木;李宗亮;蒋春丽;;Au、U薄膜的PLD沉积技术研究[A];中国核科学技术进展报告（第二卷）——中国核学会2011年学术年会论文集第7册（核电子学与核探测技术分卷、脉冲功率技术及其应用分卷、核聚变与等离子体物理分卷）[C];2011年

6 徐书生;高晓明;胡明;孙嘉奕;翁立军;伏彦龙;杨军;刘维民;;中频磁控溅射WS_x薄膜的结构和摩擦学性能[A];中国空间科学学会空间材料专业委员会2012学术交流会议论文（摘要）集[C];2012年

7 赵青南;武刚;董玉红;;玻璃基TiN及Ti/TiN薄膜的磁控溅射法制备及其显微硬度[A];2013全国玻璃科学技术年会论文集[C];2013年

8 唐永波;万建东;彭周;丁大武;;CaSO_4·0.5H_2O的晶体结构及其稳定性的分子动力学模拟[A];2011中国建筑材料联合会石膏建材分会第二届年会暨第六届全国石膏技术交流大会及展览会论文集[C];2011年

9 唐慧琴;万荣欣;顾汉卿;刘欣;李德军;董磊;;镍钛合金表面沉积TiN/Ti微纳米多层膜的性能研究[A];第十七届中国科协年会——分11　生物医学工程高技术（含医疗器械）产业变革与技术转化论坛论文集[C];2015年

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1 马紫微;HfO_2薄膜的溅射制备及其性能研究[D];兰州大学;2011年

2 郭小松;热丝化学气相沉积制备硅氢薄膜及其性质的研究[D];兰州大学;2011年

3 孔令沂;镓铟氧化物薄膜和氧化锡薄膜的制备与性质研究[D];山东大学;2011年

4 杨海平;钽醇盐的电化学合成及纯化研究[D];中南大学;2011年

5 胡仁宗;锂离子电池Sn基薄膜负极的多相多尺度结构与循环性能[D];华南理工大学;2011年

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7 鲁林峰;太阳电池用ZnO:Al和β-FeSi_2薄膜材料的制备与性能研究[D];南京航空航天大学;2010年

8 吴芳;Ga掺杂ZnO透明导电薄膜的制备与特性研究[D];重庆大学;2011年

9 彭堂超;磁控溅射制备NiO、TiO_2和ZnO薄膜及其物性研究[D];武汉大学;2011年

10 胡殷;氙离子轰击与强磁场处理作用下的材料表面行为[D];清华大学;2010年

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3 疏敏;低温纳米热电材料的制备和性能研究[D];华东理工大学;2011年

4 邓其明;PECVD氮化硅薄膜的制备工艺及仿真研究[D];电子科技大学;2010年

5 朱惠钦;新型锂离子电池隔膜的等离子体制备[D];北京印刷学院;2010年

6 王庆;大功率LED散热封装用铝基印刷电路板研究[D];浙江大学;2011年

7 崔贯英;超硬多元复合氮化物反应膜的研究[D];沈阳大学;2010年

8 张培;基于复合左右手传输线微波带通滤波器的研究[D];西安工业大学;2011年

9 赵国英;磷化铟纳米材料的溶剂热制备与表征[D];太原理工大学;2011年

10 陈园园;基于透明晶体管的SrTiO_3透明薄膜制备及其性能研究[D];西北大学;2011年

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1 李建峰;张平祥;刘向宏;李金山;冯勇;王天成;杜社军;刘维涛;;磁体用NbTi超导体的研究进展[J];材料导报;2009年03期

2 ;Extraction of the spectral information of terahertz signals using superconducting Josephson junction[J];Science China(Technological Sciences);2010年05期

3 ;Field test of HTS receivers on CDMA demonstration cluster in China[J];Chinese Science Bulletin;2009年04期

4 ;Design and fabrication of superconducting HEB mixer[J];Chinese Science Bulletin;2009年12期

5 ;A 23 GHz high-temperature superconducting microstrip filter for radio astronomy[J];Chinese Science Bulletin;2009年19期

6 ;Development of high-temperature superconducting filters operating at temperatures above 90 K[J];Chinese Science Bulletin;2009年19期

7 ;A high-performance narrowband high temperature superconducting filter[J];Chinese Science Bulletin;2010年14期

8 ;Single photon response of superconducting nanowire single photon detector[J];Chinese Science Bulletin;2010年Z1期

9 ;Character and fabrication of Al/Al_2O_3/Al tunnel junctions for qubit application[J];Chinese Science Bulletin;2012年04期

10 崔永丽,张仲华,江利,欧雪梅;聚酰亚胺的性能及应用[J];塑料科技;2005年03期

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1 谭中奇;龙兴武;张斌;;探测器的响应特性及对连续波腔衰荡技术测量的影响[J];中国激光;2009年04期

2 Joseph S.Duval;James A.Pitkin;范宴良;;用于航空γ—射线能谱测量大体积塑料探测器的试验研究[J];国外地质勘探技术;1983年09期

3 杜远才;高能探测器的发展状况[J];物理;1974年01期

4 J.G.Timothg ,汪金祥;多阳极微通道列阵探测器系统的性能特征[J];高速摄影与光子学;1986年03期

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1 王柱生;晁致远;许金兰;;金硅面垒~8Be探测器的研制[A];第7届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集（一）[C];1994年

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4 朱莉;李兴国;;时分式主被动阵列复合毫米波探测器[A];2009年全国微波毫米波会议论文集（下册）[C];2009年

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7 张俊敏;徐玉朋;陈勇;张子良;李炜;崔苇苇;霍嘉;郑伊茜;韩大炜;王于仨;王娟;韩德凯;;CCD探测器的数字化读出技术研究[A];中国空间科学学会第七次学术年会会议手册及文集[C];2009年

8 孙灵霞;李炬;陈发;杨代兴;周瑛;杨莞;周江;叶云长;张爱东;;三代工业CT探测器子位移装置设计[A];第十五届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集[C];2010年

9 朱俊杰;卢永强;;一种用于超核研究的双探测器数据补偿方法[A];第7届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集（一）[C];1994年

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2 冯勇;感烟感温复合探测器[D];合肥工业大学;2007年

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4 郑精辉;基于波动机理的仿生鱼探测器研究[D];浙江大学;2007年

5 许晏铭;单探测器复合轴的跟踪技术研究[D];长春理工大学;2014年

6 陈剑平;分布式探测器红外目标数据关联技术研究[D];国防科学技术大学;2011年

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10 郭文其;红外成像探测器模拟器硬件平台设计[D];西安电子科技大学;2011年

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