Д.Р.Хохлов Московскийгосударственный...

Терагерцовое излучение. Физика и возможности

применения

Д.Р.Хохлов

Московский государственныйуниверситет им. М.В.Ломоносова

Спектр электромагнитногоизлучения

«Терагерцовая щель»

Терагерцовое излучение

В данной спектральной областиплохо работают как радиофизическиеметоды (со стороны длинных волн), так и оптические методы (со стороныкоротких волн)

Следствие: отсутствие хорошихисточников и чувствительныхприемников излучения

Области применениятерагерцового излучения

Мониторинг концентрации тяжелыхорганических молекул

Медицинские приложения(онкология, стоматология)

Метеорология

Системы безопасности (поиск иобнаружение взрывчатых веществ)

Инфракрасная астрономия

Медицинские приложения

Картина раковой опухоли в терагерцовом и в видимом диапазоне


Базально-клеточный рак кожи (базалиома)


Человеческий зуб с внутренним кариесомв видимом и терагерцовом диапазоне

Системы безопасности

Металлическая пластина и керамический диск в кармане куртки, вид в анфас и профиль в терагерцовом диапазоне


Полиэтиленовая коробка, зарытая в песок, картинки в терагерцовом диапазоне


Ботинок, в подошве которого спрятан

керамический нож и пластичная взрывчатка

Семтекс

Терагерцовая астрономия

10-20

10-19

10-18

10-17

100

101

102

103

104

105

106

1 10

Backgro

und P

hoto

n N

ois

e N

EP

(W

/Hz

1/2

)

Backgro

und p

hoto

n a

rrival ra

te (1

/s)

Frequency (THz)

Planck HFI

Обсерватория “Миллиметрон”

Совместный проект Европейскогокосмического агентства и Российскогокосмического агентства

12-метровая антенна, охлажденнаядо 10 K

Несколько диапазонов длин волнвключая гига- и терагерцовый

Дата выведения на орбиту 2017-2018

Астероидная опасность

Максимум спектральной плотностиизлучения абсолютно черного тела

λ(µm)=3000/T(K)

Солнце: T=6000 K, λ=500 nm

Земля: T=300 K, λ=10 µm

Астероиды: T=10 K, λ=300 µm

υ=1 THz – Терагерцовый диапазон!

Существующиевысокочувствительные детекторытерагерцового излучения

Сверхпроводящие болометры (TES –Transition Edge Sensors)

Детекторы с блокированнойпримесной полосой (BIB - Blocked Impurity Band detectors)

Детекторы с кинетическойиндуктивностью (KID - Kinetic Inductance Detectors)

State of the art bolometers(Transition Edge Sensor)

10

13

16

21

10

13

16

21

0.13 0.14 0.15 0.16

0.0

0.1

0.2

R(Ω

)

T (K)

Chip31-16

Chip31-13

Chip31-21

Chip31-10

Optical NEP for Single pixel: ~1x10-18W1/2/Hz by Cardiff /SRON

At 45 µm

Ge(Ga) blocked impurity band detectors

A

hυ

Heavily doped GeUndoped Ge

Blocked Impurity BandBIB structuresbased on dopedSi and Ge

The highest red cut-off wavelength:uniaxially stressed Ge(Ga)

λ = 220 µm

Problem: the highest NEP achieved so far10-16 W Hz-1/2 at T well below 4.2 K

Principle of Kinetic Inductance Detector

21

CPW Through line

CPW ¼ λλλλ Resonator

Coupler

Antenna

substrate

Central conductor

100 µµµµm

L= 5 mm @ 6 GHz

Al ground plane

Readout signal ~GHz

21

Im

Re

δR

δθ

F0

δf

S2

1 [d

B]

F [Ghz]

(Courtesy of (Courtesy of A.BaryshevA.Baryshev))

Pair breaking detectorPair breaking detector

Superconductor ~ LSuperconductor ~ LKINKIN at T<Tat T<Tcc/3/3

LLKINKIN ~ ~ NNqpqp ~ power absorbed~ power absorbed

Use LUse LKINKIN to measure absorbed to measure absorbed

powerpower

KID KID

a SC material in resonance circuita SC material in resonance circuit

read out at Fread out at F0 0 ~ 4 GHz~ 4 GHz

resonance feature is function of resonance feature is function of NNqpqp

signal in Ssignal in S2121 or R and or R and θθ

Im

Re

δΘ

δRS21

FF0

δf

KID arrays for SPICA

4.056 4.058 4.060 4.062 4.064 4.066 4.068

-35

-30

-25

-20

-15

S2

1 [d

B]

F [GHz]

no light

LED on

Resonances @ FResonances @ F00

FF00 set by geometry (length)set by geometry (length)

Dark NEP = 10-18 W Hz-1/2

Проблемы (как я их вижу)

Очень низкая рабочая температура< 150 мK

Высокий коэффициент отражениясверхпроводников

Демонстрация оптической NEP (?)

Динамический диапазон (?)

Существующие приемникитерагерцового излучения

Болометры (полупроводниковые исверхпроводящие) – тепловые приемникиизлучения: излучение нагревает приемник, и изменяется его сопротивление

Фотонные приемники: кванты излучениявзаимодействуют с отдельнымиэлектронами, приводя к появлениюфототока

Альтернативная возможность

Легированные сплавына основе теллурида свинца

Нелегированные сплавы

на основе теллурида свинца

PbTe: узкощелевой полупроводник:

1. Прямая щель Eg = 190 meV приT = 0 K в L-точке зоныБриллюэна

2. Высокая диэлектрическаяпроницаемость ε ∼ 103.

3. Малые эффективные массы m ∼10-2 me.

Твердые растворыPb1-xSnxTe

0 0.1 0.2 0.3 0.4

-100

0

100

200

Ev

Ec

E, meV

x

Происхождение свободных носителей: Отклонение от стехиометрии ∼ 10-3.Как правило: n,p ∼ 1018-1019 см-3

Эффекты, появляющиеся

при легировании

Стабилизация уровня Ферми.

7 1018

cm-3

NIn

p

n

PbTe(In), NIn > Ni

Последствия

1. Абсолютная воспроизводимость параметровобразца независимо от способа синтеза (одного итого же состава). Положение EIn жесткофиксировано и соответствует EF

2. Исключительно высокая пространственнаяоднородность. При EF ~ 70 мэВ флуктуации дназоны проводимости < 0.1 мэВ

3. Высокая радиационная стойкость(стабильность при потоках жесткого излучения до1017 см-2) в 103-104 раз выше стойкости обычныхполупроводников

Осцилляции Шубникова – де Гааза

в PbTe(In)

Стабилизация уровня Ферми в

сплавах Pb1-xSnxTe(In) .

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

-100

-50

0

50

100

150

200

semiinsulating state

p-type metal

n-type metal

Ev

Ec

EF

E, meV

x

EIn

Задержанная

фотопроводимость

0 5 10 15 20 2510

-2

10-1

100

101

102

103

104

105

3'

2'

32

4'

4

1'

1

R, Ohm

100/T, K-1

Температурная зависимость сопротивления, измереннаяв темноте (1-4) и при инфракрасной подсветке (1'-4') в сплавах с x = 0.22 (1, 1'), 0.25 (2, 2'), 0.27 (3, 3') и0.29 (4, 4')

Кинетика фотопроводимости

τ > 104 s

Ordinary

photoconductor

Persistent

photoconductor

σ

tradiation

offradiation

on

Большое времяжизнифотовозбужденныхэлектронов связанос существованиембарьера междулокальными изоннымисостояниями –DX-подобныепримесныецентры

Основные проблемы

Как объяснить необычнуюэлектроактивность примеси

Как объяснить появлениедолговременных релаксационныхпроцессов при низких температурах

Модель переменнойвалентности

2In2+→In3+ + In+neutr. donor accept.

Еion(left) = Е(1) + Е(1)

Еion(right)= Е(2) + Е(1)

Е(2) = Е(1) - U

Обычно U>0

“Negative-U” центр:U<0

In3+

In+

In2+

e-

e-

e-

In3+In3+

In3+In3+

e-

In2+

Модель переменнойвалентности (продолжение)

TeTe

Te

In2+

Te∆

1

-e

TeTe

Te

In3+

Te-e

TeTe

Te

In+

Te∆

2

-e

Модель для объяснениядолговременных процессов

TeTe

Te

In

Te

e

hυ

Конфигурационно-координатнаядиаграмма

Etot = Eel + Elat =

= (Ei-∆)⋅n +∆2/2∆0

(n = 0,1,2) – числолокализованныхэлектронов

Связанный электрон,Решетка локально деформирована

Связанное состояниеодного электрона

Свободный электронв зоне проводимости

Модель для объяснениядолговременных процессов

E2 – основноелокальноесостояние;

E1 –метастабильноелокальноесостояние

«Внутреннее» интегрированиесветового потока

τ > 104 s

Ordinary

photoconductor

Persistent

photoconductor

σ

tradiation

offradiation

on

Интегрированиеувеличиваетотношениесигнал-шум

но

Необходимоуметьбыстро гаситьзадержаннуюфотопроводимость

Гашение задержаннойфотопроводимости

1. Термическое гашение: нагрев до 25 К и последующее охлаждение – слишкоммедленный процесс.

2. СВЧ-гашение: приложение СВЧ-импульсов к образцуf = 250 МГц, P = 0.9 Вт, ∆t = 10 мксКвантовая эффективностьфотоприемника может быть увеличенадо ∼∼∼∼ 102 в некотором специальном режимеСВЧ-гашения.

СВЧ-стимуляция квантовойэффективности

Квантоваяэффективностьможет бытьувеличенадо 100!

σ

<< I3

I2

I1

I3

I2

I1

t

quenching pulses

Принцип действия приемникаизлучения

Инфракрасные фотоприемники

на основе Pb1-xSnxTe(In)

Одиночный фотоприемник, работающий в режимепериодического накопления и последующегобыстрого гашения фотосигнала, режим СВЧ-стимуляции квантовой эффективности.

рабочая температура 4.2 K; длина волны 18 мкм (определяемая фильтром); быстродействие 3 Гц; площадь 300*200 мкм; токовая чувствительность > 107 A/Вт; минимальная регистрируемая мощность < 10-16 Вт(чувствительность измерительной электроникилишь 10-7 A).

Проблемы

Насколько хороши фотоприемники наоснове Pb1-xSnxTe(In) по сравнению саналогами?

Каков спектральный диапазончувствительности фотоприемников наоснове Pb1-xSnxTe(In)?

Экспериментальная установка

T = 300 K

T = 77 K

T = 4.2 K

8

67

5

4

3

21

1 – абсолютно черное тело2 – входное окно3 – фильтр азотного

экрана4 – фильтр гелиевого

экрана5 – интерференционный

фильтр6 – вращающаяся кассета

с фильтрами7 – образец8 – гелиевая ванна

Сравнение с

Si(Sb) и Ge(Ga) (продолжение)

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

5,0x10-3

1,0x10-2

1,5x10-2

2,0x10-2

amplifier overload

77

300

I, µ

A

V, V

λ= 14 мкм;state of the artSi(Sb) BIB

ФотоприемникPb1-xSnxTe(In) : темновой ток приминимальновозможном смещении40 мВ(красная точка)

Температурарачерного тела

Фотоотклик на длинах волн

176 мкм и 241 мкм

Сильныйфотоотклик надлинах волн 176 и241 мкм

λ = 241 мкмвыше, чемλred = 220 мкмнаблюдавшаяся вGe(Ga)

0 200 400 600 800

0,0

1,0x10-2

2,0x10-2

3,0x10-2

4,0x10-2

5,0x10-2

6,0x10-2

Curr

ent,

µA

Time, s

241 µm

176 µm

выключение света включение света

Мартовские данные


Рабочая температура 4.2 K;

Длина волны 350 µm (определяемая фильтром, Q=4);

Частота гашения 1 Hz;

площадь 300*200 µm;

NEP ~ 10-13 W/Hz1/2 (чувствительностьизмерительной электроники 10-6 A).

Майские данные






NEP ~ 3*10-17 W/Hz1/2

Июльские данные






NEP ~ 5*10-19 W/Hz1/2 !!!

Фотопроводимость PbSnTe(In) поддействием терагерцовоголазерного излучения

Длина волны лазера: 90, 148, 280, 496 µm

Длительность импульса: 100 ns

Мощность в импульсе: до 30 kW

Температура образца: 4.2 – 300 K

Образцы

0 2 4 6 8 10 1210

-1

100

101

102

103

104

105

106

1010

1011

1012

1013

1014

1015

1016

1017

n,

cm

-3

ρρ ρρ,

Oh

m c

m

100/T, K-1

Pb0.75

Sn0.25

Te(In)

0 50 100 150 200 250

103

104

105

µµ µµ , c

m2/

V s

T, K

Температурная зависимостьудельного сопротивления иконцентрации электронов

Температурная зависимостьподвижности электронов

Кинетика фотопроводимости

Временной профиль лазерного импульса и кинетика фотопроводимостипри различных температурах

0 1 2 3 4 5 6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

RS

RSRL

hυRL

>>

∆σ

∆σ

∆σ

∆σ

/ σσ σσ*

10

2

t (µµµµs)

shape of the laser pulse (arb.un.)

4.2 K

25 K

λ = 280 µm

Механизмы фотопроводимости

Отрицательная фотопроводимость: разогрев электронного газа, изменение подвижности электронов

Положительная фотопроводимость: генерация неравновесных электроновс метастабильных электронныхсостояний, изменение концентрациисвободных электронов

Зависимость амплитудыфотоотклика от длины волны

Nкв=8.7 10-24 c-1

0 20 40 60 80 100 1200

1

2

3

4

5

6

∆σ

∆σ

∆σ

∆σ

/ σσ σσ0*1

02

ωωωω (cm-1)

496µm

280µm148µm

90µm

Заметный фотооткликнаблюдается вплоть додлины волны 496 мкм, что более чем в два разавыше, чем предыдущийрекорд для фотонныхприемников – 220 мкмдля однооснодеформированного Ge(Ga)

Линейная экстраполяция квантовой эффективности к нулевому значениюфотоотклика дает красную границу фотоэффекта Екр=0!

Одна из главных проблем

Трудности с созданиеммногоэлементных матричныхфотоприемников.

В настоящее время максимальноеколичество элементов матричныхприемников терагерцового диапазонане превышает нескольких десятков

Зачем нужны матричныеприемники

Общее правило: дольше смотришь – больше видишь

Дано: быстродействие системы, т.е. время формирования кадра T

Объект

Одиночныйфотоприемник

Сканирующая оптическая система

Если нужно за время Т получить картинку изn строк и m кадров, то на каждый элементпридется время T/n⋅m

Фокальные матрицы

Матрица из n строки m столбцов

Несканирующая оптика

Объект Изображение на каждомиз элементов формируетсяв течение всего времени кадра TЧувствительность возрастаетв n⋅m раз

Фокальная «непрерывная»

матрица

Локальная ИК-подсветка приводит клокальнойгенерациифотовозбужденныхсвободныхэлектронов.

Характерныйпространственныймасштаб < 100 мкм

radiation "spot"photodetector

hω

Экспериментальноеподтверждение

0 20 40 60 80 100 120 140

0

2

4

6

8

10

σ 1

04, O

hm

-1.

t, s

1 2 3

1

1

1

2

32,3

0.15 mm 0.07 mm

Идея способа считывания 1 – полупрозрачныеэлектроды

2 – активный слойPb1-xSnxTe(In)

3 – буферный слойBaF2

4 – слойширокозонногополупроводника

5 – коротковолновыйлазер

6 – исследуемый потокизлучения1 12 3 4

56

A

Выводы

Фотоприемники Pb1-xSnxTe(In) имеют ряд привлекательныхсвойств, которые позволяют им успешно конкурировать ссуществующими аналогами:

Внутреннее интегрирование падающего световогопотока,

Возможность эффективного быстрого гашениянакопленного сигнала

СВЧ-стимуляция квантовой эффективности до 102

Возможность реализации «непрерывной» фокальнойматрицы

Возможность реализации простого способасчитывания

Высокая радиационная стойкость

Д.Р.Хохлов Московскийгосударственный...

Documents

Transcript of Д.Р.Хохлов Московскийгосударственный...