TlBaCaCuO双晶结太赫兹混频检测器特性研究

铊钡钙铜氧(TlBaCaCuO)材料相比钇钡铜氧(YBaCuO)来讲,具有基本不与水气发生反应,稳定性高的优点.我们制备了TlBaCaCuO双晶结,用其代替YBaCuO双晶结进行了太赫兹信号的混频检测.对TlBaCaCuO与YBaCuO双晶结的R~T特性、超导临界电流、正常态电阻、特征电压等参数进行了比较,给出了两种双晶结在空气中的退化程度随时间的关系.TlBaCaCuO双晶结显著提高了高温超导太赫兹检测器的稳定性和使用寿命.     

高温超导约瑟夫森结阵列的相位锁定

根据交流约瑟夫森效应,研究了嵌入Fabry-Perot谐振腔里的约瑟夫森结阵列在微波辐照下的相位锁定问题。结阵列是由生长在双晶钇稳定氧化锆(YSZ)基片上的YB2Cu3O7(YBCO)超导薄膜光刻成微桥得到的。通过优化设计,在温度为79.2K辐照频率为77.465GHz的条件下,包含620个串联约瑟夫森双晶结的结阵列在外加微波辐照下实现了相位锁定,得到了陡峭的夏皮罗台阶。其第一级夏皮罗台阶的电压约为0.1V,台阶高度约为0.17mA。试验结果表明,这种结阵列结构在电压基准的应用上有极大的优势,而且这种准光学耦合方法在太赫兹信号发生和检测方面有很好的应用前景。     

高温超导双晶结混频器噪声系数测量

噪声系数(Noise Figure,NF)是超导混频器的一个重要参数,是衡量超导混频器内部噪声、影响混频器灵敏度的一个重要指标.实验基于小型脉冲管制冷系统,搭建高温超导约瑟夫森双晶结混频器噪声系数自动测量系统,工作温度为60K.Ar离子刻蚀工艺技术制备高温超导YBa2Cu3O7-δ(YBCO)/MgO约瑟夫森双晶结,通过Y-因子噪声测量法,测量YBCO/MgO约瑟夫森双晶结混频器的噪声系数.实验成功制备了特征电压约1mV的YBCO/MgO约瑟夫森双晶结,在650GHz信号辐照下,有明显的夏皮罗(Shapiro)台阶.在210GHz信号辐照下,进行30次谐波混频,约瑟夫森双晶结在不同偏置电压点中频输出信噪比变化范围约为30dB.在77K与300K不同输入噪声功率下,测得双晶结混频器噪声系数最小值为10dB,偏置电压在300μV.     

用于真空电子太赫兹器件的微型热阴极电子束源研究

太赫兹波辐射源是太赫兹(THz)波技术的关键.真空电子太赫兹器件在高频、大功率太赫兹源发展中较其他技术有明显的优势,微米尺度高电流密度微型电子束源则是研制真空电子太赫兹器件的核心之一.本文在研制低温、大电流纳米粒子氧化钪掺杂含钪扩散阴极(nanosized-scandia doped dispenser cathode)的基础上,采用发射抑制膜沉积与聚焦离子束(FIB)刻蚀技术,研制无需压缩直接提供高电流密度的微型电子束的电子源.所研究的电子束源直径400μm,在工作温度950fiC,提供空间电荷限制电流密度50 A/cm2时,已稳定工作1000 h以上,并且层流性良好.本文阐述了阴极制备工艺、电子发射特性、微米尺度电子束源的获得和特性,介绍了发射抑制膜的结构和抑制特性的评估.并探讨了镀膜和刻蚀对发射的影响机理.这一电子束源在常规毫米尺度电子源的基础上产生微米尺度的微区高电流密度的电子束,为真空电子太赫兹辐射源的研制提供了新的途径.     

高Tc超导GdBa_2Cu_3O_(7-δ)薄膜双晶晶界结及双晶结光探测器

在晶界夹角分别为 2 4°,3 2°的 YSZ双晶基片上 ,制备了高 Tc Gd Ba2 Cu3O7-δ双晶超导薄膜 ,采用光刻技术在晶界上刻出了两种不同尺寸的双晶晶界结 ,在液氮温度下观测了结的直流 I-V特性 ,用 1 0 GHz微波辐照双晶结结区 ,观察到了结临界电流的压缩和 Shapiro台阶 ,表明双晶结具有约瑟夫逊弱连接行为。用上述双晶结进行光探测 ,用波长为 0 .63 2 8μm的 He-Ne激光器辐照结区 ,系统的观测了其光响应特性 ,结果如下 :噪声等效功率 NEP =1 .9× 1 0 - 1 3W,归一化探测率 D*=5.3× 1 0 9cm Hz12 W- 1 ,响应率 Rv =4 .2× 1 0 7V/W,响应时间 τ<6.3 5× 1 0 - 7s     

高温超导YBa_2Cu_3O_(7-δ)双晶约瑟夫森结的输运特性随晶界角的变化

高温超导双晶约瑟夫森结在超导电子器件方面具有重要应用,对其输运特性的研究对理解高温超导的d波对称性也有重要意义.我们在晶界角分别为24°、30°和36°的SrTiO_3对称双晶衬底上,利用脉冲激光沉积方法生长了YBa_2Cu_3O_(7-δ)高温超导薄膜,进而利用紫外曝光和离子刻蚀制备了YBCO双晶约瑟夫森结,测量了其输运特性随晶界角的变化.在结样品的超导转变曲线中观测到由双晶晶界引起的电阻拖尾现象,按热激活相位滑移理论对其的分析表明,随着晶界角的增大,YBCO双晶结可能从S-N-S型转变为S-I-S型结.通过伏安特性曲线的测量确定了结的约瑟夫森临界电流Ic、临界电流密度Jc及正常态电阻Rn等特性参数随晶界角的变化,发现近似有标度关系I_cR_n∝J_c~(0.6).随着晶界角的增大,我们观测到Jc随温度下降从单调增加转变为非单调变化,在10K~20K和30K~40K之间出现局部极小值,分析表明这一现象很可能与由YBCO超导能隙的d波对称性所导致的结界面处隙间态的出现相关.     

高温超导约瑟夫森结太赫兹混频系统

在小型脉冲管制冷机（工作温度约60 K）上搭建了高温超导约瑟夫森结太赫兹谐波混频系统,并采取了一系列措施增强结与太赫兹波的耦合。所采取的措施主要有:研究不同基片对结的影响并最终选择MgO做为双晶结基片,设计平面周期对数天线,同时使用一个超半球硅透镜和两个离轴抛物面反射镜组成准光学系统。最终成功在小型脉冲管制冷机中获得结对623 GHz太赫兹波的响应,并且成功进行24次谐波混频实验。     

嵌入Fabry-Perot谐振腔的高温超导双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性研究

采用嵌入Fabry-Perot谐振腔的方式,研究了Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)高温超导薄膜双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性.重点研究了双晶约瑟夫森结与Fabry-Perot谐振腔的耦合特性,发现放置在谐振腔中的结的位置、角度、结的图形以及Fabry-Perot谐振腔中两镜面间的距离等对耦合都有很大的影响.通过精细调节这些参数,可使双晶约瑟夫森结与外加毫米波达到最佳耦合.在最佳耦合情况下,能观察到9级明显的夏皮罗台阶.利用Fabry-Perot谐振腔技术,解决了约瑟夫森结与毫米波的耦合问题,为高温超导约瑟夫森结的毫米波及太赫兹波的辐射和检测研究奠定了基础.     

外场对分子纳米结电流-电压特性的影响

针对由金属电极/分子/金属电极组成的分子纳米结,应用扩展主方程的方法,考虑分子纳米结中影响其传输过程的外场、分子内的弛豫过程等因素研究了在外场作用下分子纳米结内的稳定电流和瞬间电流.由于分子内较强的电子-振动耦合,分子纳米结中的电流-电压曲线呈现台阶式非弹性特征.在不同的高斯型脉冲的激发作用下,分子纳米结中电流需要达到稳定的时间也不相同,脉冲宽度在1ps时瞬间电流现象明显,这时分子处于非平衡分布,分子两端的电流存在较大差异.随着脉冲宽度和外场偏压的增加,分子两端的电流趋于平衡.     

YBCO薄膜双晶结DC SQUID的研制

在优化ＹＢＣＯ薄膜的制备工艺和研究双晶结的电流密度Ｊｃ和结的正常态电阻Ｒｎ与结宽的关系的基础上，在角度差为２８度的ＹＳＺ双晶基片上设计和制作了双晶结ＤＣ ＳＱＵＩＤ。双晶结的Ｉ－Ｖ特性基本符合ＲＳＪ模型，结宽为４μｍ的双晶结的正常态电阻Ｒｎ为２．４Ω，在２３．４ＧＨｚ微波辐射场中观察到Ｓｈａｐｒｉｏ微波感应台阶。所研制的结宽为４μｍ的双晶结的ＤＣ ＳＱＵＩＤ最大电压调制深度为１５μＶ，特征电压Ｉｃ     

高温超导太赫兹辐射源与检测器

利用超导约瑟夫森器件中的约瑟夫森效应,超导材料可用于制备太赫兹辐射源和高灵敏的检测器。由于高温超导材料的能隙较高,因此用高温超导材料制备的太赫兹辐射源与检测器具有工作频率广、工作温度高等优点。文章将简要介绍南京大学超导电子学研究所在高温超导双晶晶界约瑟夫森结检测器和高温超导本征约瑟夫森结太赫兹辐射源等方面的工作进展。     

高温超导YBCO双晶结毫米波谐波混频的实验研究

我们采用氧化锆双晶衬底制备了ＹＢａＣｕＯ双晶结,测量了其电流电压特性,采用液氮制冷和小型脉冲管制冷机分别实现了毫米波谐波混频实验．通过实验结果的初步讨论和比较,我们对系统的微波耦合和噪声抑制提出了改进方案     

太赫兹波光谱特性分析

目前太赫兹技术的研究主要集中在它的产生、探测机理研究上。由于太赫兹波处于微波和可见光之间的频率范围,已有的微波和光波理论是否能适用于太赫兹波或者具有某些共同的特性仍需实验验证。通过实验分析验证了太赫兹波在空气介质中在垂直于传播方向的平面内场振幅是服从高斯函数分布的,测量给出了太赫兹波的能量分布图。根据测试数据推导出太赫兹波在空气介质中能量衰减公式,利用法布里-珀罗(F-P)干涉仪原理设计出太赫兹波长仪,对美国Corehent公司SIFIR-50THz太赫兹激光器发射的1～3THz波长进行了测量。讨论分析了远场发射角、光束入射角度、机械振动、温度波动和折射率n波动等相关因素对测量精度的影响。     

太赫兹波段表面等离子光子学研究进展

表面等离子光子学是研究金属、 半导体纳米结构材料独特的光学特性, 是目前光子学中最有吸引力、 发展最快的领域之一. 伴随着微/纳制造技术与计算机模拟技术的进步, 表面等离子光子学在可见光、 红外、 太赫兹以及微波频域得到了广泛研究, 在高灵敏生化传感、 亚波长光波导、 近场光学显微、 纳米光刻等领域有潜在的应用价值. 特别是人工超材料的发展, 为自然界长期缺乏响应太赫兹波的材料和器件奠定了基础, 从而也促进了太赫兹波段表面等离子光子学的研究. 本文从太赫兹表面等离子波的激发、 传导、 最新应用及未来发展趋势等几个方面进行了回顾和讨论, 将最新研究成果展示给读者.     

电流激励下两带单结超导环的电磁性质研究

在两带Ginzburg-Landau理论基础上,我们研究了在电流激励情形下两带单结超导环的电磁性质.两带超导环中可引入的两个超导序参量的相位差满足sine-Gordon方程,由该方程的孤立子解我们得到了单个超导结(微桥结构)两端相位差与总磁通之间的线性关系.通过微桥中电流与超导结两端相位差满足的非线性Josephson方程,建立了在电流激励下环内磁通与外加电流之间的依赖关系.我们的分析表明两带超导环中可能产生的孤立子解及分数磁通量子化现象可以通过测量单结超导环中的电磁性质加以验证.     

超高灵敏度太赫兹超导探测技术发展

太赫兹波段占有宇宙微波背景(CMB)辐射以后宇宙空间近一半的光子能量,该波段在天文学研究中具有不可替代的作用,因此太赫兹天文学的研究,具有极其重要的科学意义。本文系统介绍了基于超高灵敏度太赫兹超导探测技术的太赫兹相干探测器发展状况,包括超导隧道结混频器(SIS)和超导热电子混频器(HEB),以及以超导动态电感探测器(MKIDs)和超导相变边缘探测器(TES)为代表的非相干探测器的研究。在此基础上,展望了该领域未来发展趋势,对我国太赫兹天文探测技术的发展具有一定的参考意义。     

基于非对称开口环超表面结构的电磁响应研究

超表面具有特殊的电磁响应特性,在太赫兹领域具有广泛的应用前景.设计了以1对镜像的、非对称开口的金属环为基本单元的超表面阵列结构.仿真结果表明该超表面结构在太赫兹电磁波入射时产生镜像对称的偶极子共振电流,形成诱导磁场,进而通过感应产生的诱导电场来调控太赫兹透射波.利用COMSOL软件研究了开口环结构、分析层与衬底等参量对太赫兹电磁波响应的影响.通过光刻加工了具有典型参量的样品,利用太赫兹时域光谱仪测量样品的透过率曲线.实验测量结果和仿真模拟结果趋势基本一致.     

超大长宽比U型开口谐振器的太赫兹调控特性

近年来,金属亚波长结构由于在负折射材料方面存在巨大应用价值,及可作为太赫兹波段的光学限制器等器件应用,引起了研究者们的广泛关注。本文采用电子束曝光离子束刻蚀的方法在金膜上制备了亚波长的超大长宽比U型开口矩形谐振器阵列结构,利用时域有限差分方法(FDTD)和太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对U型阵列结构的太赫兹波透射光谱响应进行了测量和分析,讨论了透过率对结构几何参数的依赖特性和异常透射的物理机制。通过这种U型开口谐振器能够实现太赫兹波的强局域和场增强,可将太赫兹波局域在波长千分之一的尺寸上,从而实现了太赫兹的异常透射现象,这种超大长宽比的U型开口谐振器可在太赫兹探测、太赫兹成像及其他光学器件的设计上得以应用。     

液氮下工作的薄膜biPbSrCaCuO dc SQUID

利用电阻加热、单源混合分层蒸镀方法制备的 Bi PbSrCaCuO 超导薄膜,研制成功带双桥结的单圆孔的直流超导量子干涉器(dc SQUID).这些 dc SQUID 在78K 呈现出完全的周期性磁通响应的电压特性.在无屏蔽条件下,0—1Hz 频率范围内,78K 的磁通噪声的典型值为1.7×10~(-3)φ_0/(Hz)~(1/2),相应的能量分辨率为3.6×10~(-26)J/Hz.同时,我们发现了无偏置电流下的可以锁定的磁通响应的电压二次谐波现象,此现象尚未理解清楚,但它与 dc SQUID的 I—V 特性形状有密切关系,并对其进行了探讨.     

双晶衬底晶界的显微研究

在空气中加压烧制了钇稳定氧化锆（ＹＳＺ）双晶衬底，利用光学显微镜和透射电镜对其晶界进行了观察，以了解其与衬底上ＹＢＣＯ晶界结超导弱连接性能的关系。我们发现晶界在光学显微镜下清楚笔直，在透射电镜高分辨像下原子排列很规则，晶界宽度约一个纳米。同时，在晶界结性能差的双晶衬底上，发现了十分之一微米量级的被非晶态物质填充的孔洞。