强吸收结构高速超导纳米线单光子探测器

本文研究具有强吸收结构的高速超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的设计与仿真.该SNSPD基于高折射率入射介质和空气腔结构,可以提高超导纳米线的光子吸收率.与现有超导单光子探测器结构相比,在相同材料和厚度的超导超薄膜制成纳米线的条件下,用更低的占空比就可以实现接近于100%的吸收率,这使得电子束曝光步骤的难度大大降低.而SOI衬底的采用则可以同时保证超导薄膜的高质量生长,不影响探测器的本征量子效率.另外,在保证同样大的有效探测面积的条件下,由于需要的纳米线的总长度显著减小,制备过程中发生缺陷的概率显著降低,探测器的最高计数率可以得到提升.     

H 离子辐照对 NbN 薄膜的微观结构和超导性能影响

氮化铌(NbN) 低温超导薄膜是用于制作超导器件的典型材料. 基于 NbN 超导薄膜的超导纳米线单光子探测器(SNSPD) 在量子通信、 暗物质探测、 激光测距等领域都有着广泛应用. 本工作借助中国科学院兰州近代物理所320 kV 低能重离子综合研究平台采用300-keV H1 + 离子对7 nm 厚度的低温超导材料 NbN 超薄膜进行了离子辐照, 得到了辐照前后超导转变温度Tc 及超导能隙 Δ(0) 、 费米面附近电子态密度 N0 等其他材料参数的变化, 为借助离子辐照手段改善 NbN SNSPD 性能提供了实验参考.     

超导纳米线单光子探测器件的制备

超导纳米线单光子探测器件(SNSPD)是超导单光子探测系统的核心器件。文中介绍了成功制备的基于5nm厚的NbN超导超薄薄膜的SNSPD器件。器件核心结构为150nm宽的纳米曲折线结构,纳米线条占空比为75%,面积为20μm×20μm。超导纳米线是利用电子束曝光(EBL)技术和反应离子刻蚀(RIE)等工艺技术制备的。所制备的SNSPD样品,在温度3.5K下的临界电流约12.9μA;在1310nm波长光波辐照,12.5μA的偏置电流下,探测效率约0.016%。     

高效、偏振不敏感超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能被广泛应用于量子通信等众多领域,然而其独特的线性结构会导致SNSPD的探测效率对入射光的偏振态具有依赖性,从而限制了SNSPD在非常规光纤链路或其他非相干光探测环境中的应用.本文基于传统的回形纳米线结构设计制备了一种新型偏振不敏感SNSPD,在纳米线周围引入一层高折射率Si薄膜作为介质补偿层来提高纳米线对垂直偏振态入射光的吸收效率,并将补偿层的上表面设计为光栅结构以减小不同波长下纳米线对不同偏振态入射光的吸收差异从而实现在特定波长范围内的偏振不敏感.除此之外,还采用介质镜和双层纳米线结构来提高器件的光吸收效率,测试结果表明该器件在1605 nm波长处最大探测效率为87%,对应的偏振消光比为1.06.该工作为未来实现高探测效率的偏振不敏感SNSPD提供了参考依据.     

纳米多孔氮化铌薄膜红外宽带光响应特性

具有超导绝缘相变特性的纳米多孔超导薄膜在红外光电探测领域有着潜在的应用价值,而其在红外波段的宽带光响应特性研究目前尚未见报道.为此,本文以纳米多孔氮化铌(NbN)薄膜为主要对象,研究了其在780—5000nm的近、中红外波长范围内的光响应特性.首先,采用Drude模型拟合的方法,不仅将对实验数据拟合的精度提高了约17%,而且得到了中红外波段的NbN光学参数;进而,采用时域有限差分法分析了加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件的光响应特性,并给出了能够将纳米多孔薄膜简化为均匀薄膜的Bruggeman等效模型,从而可以将纳米多孔NbN薄膜光响应特性的仿真维度由三维降为一维;最后,基于等效模型和传输矩阵法,对加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件在近、中红外波段内的光吸收特性进行了优化设计.结果表明:一方面,使用Bruggeman等效模型简化设计过程并不会影响最终结果的正确性;另一方面,仅仅是加载较为简单的光学腔,即可使得探测器的薄膜光吸收率在近、中红外宽带设计时均大于82%,在近红外双波长设计时均大于93.7%,并且多孔薄膜结构具有天然的极化不敏感特性.     

具有光学结构的超导纳米线吸收效率的仿真

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的系统探测效率由纳米线与光子的耦合效率、纳米线的吸收效率以及纳米线吸收光子后能产生电压脉冲的本征量子效率决定。设计了一种带有防反射层、谐振腔、布拉格反射镜等结构的SNSPD。利用COMSOL软件的射频模块对这种新型结构的SNSPD进行了仿真,结果表明具有光学结构的SNSPD将有助于提高系统探测效率。     

基于NbN,AlN技术的体声波器件研究

体声波滤波器由于其低插损、小尺寸、高带外抑制等特性,随着第三代移动通信以及蓝牙技术的发展而得到广泛研究,而MEMS技术和压电薄膜制备技术的进一步发展使高性能的体声波滤波器制作成为可能. 我们以单晶MgO作为器件衬底,MgO/NbN多层结构作为AlN薄膜体声波器件的反射器,NbN/AlN/NbN三层结构为谐振器.在这样的多层结构的设计中由于各种材料之间的晶格失配小,可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AlN薄膜.通过控制AlN薄膜和NbN薄膜的不同厚度,可以获得不同频段范围的谐振器. 压电薄膜的质量,以及体声波在多层结构界面上的能量损耗,直接影响到谐振器电学性能.基于AlN材料的压电性能,设计了NbN/AlN/NbN三层结构的谐振器,并进行了数值模拟.     

利用TEM对Si基片与MgO基片上生长的薄膜特性的研究

对生长在Si和MgO单晶基片上的不同厚度的单层NbN薄膜、双层薄膜AlN/NbN以及三层薄膜NbN/AlN/NbN应用透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)技术进行了分析研究,对这几种薄膜样品的微观结构、薄膜厚度以及各个边界的一些直观细节给出了较为清晰的图像。由透射电子显微镜的电子衍射图案计算了薄膜和单晶衬底的晶格常数,并与我们以前采用X射线衍射技术分析的结果进行了比较,结果有很好的吻合。     

硅(001)图形衬底上锗硅纳米线的定位生长

纳米线的定位生长是实现纳米线量子器件寻址和集成的前提.结合自上而下的纳米加工和自下而上的自组装技术,通过分子束外延生长方法,在具有周期性凹槽结构的硅(001)图形衬底上首先低温生长硅锗薄膜然后升温退火,实现了有序锗硅纳米线在凹槽中的定位生长,锗硅纳米线的表面晶面为(105)晶面.详细研究了退火温度、硅锗的比例及图形周期对纳米线形成与否,以及纳米线尺寸的影响.     

基于NbN，AIN技术的体声波器件研究

体声波滤波器由于其低插损、小尺寸、高带外抑制等特性，随着第三代移动通信以及蓝牙技术的发展而得到广泛研究，而MEMS技术和压电薄膜制备技术的进一步发展使高性能的体声波滤波器制作成为可能．我们以单晶MgO作为器件衬底，MgO/NbN多层结构作为AIN薄膜体声波器件的反射器，NBN／AIN／NbN三层结构为谐振器．在这样的多层结构的设计中由于各种材料之间的晶格失配小，可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AIN薄膜．通过控制AIN薄膜和NbN薄膜的不同厚度，可以获得不同频段范围的谐振器．压电薄膜的质量，以及体声波在多层结构界面上的能量损耗，直接影响到谐振器电学性能．基于AIN材料的压电性能，设计了NBN／AIN／NBN三层结构的谐振器，并进行了数值模拟．     

Fabrication of superconducting Nb N meander nanowires by nano-imprint lithography

Superconducting nanowire single photon detector(SNSPD), as a new type of superconducting single photon detector(SPD), has a broad application prospect in quantum communication and other fields. In order to prepare SNSPD with high performance, it is necessary to fabricate a large area of uniform meander nanowires, which is the core of the SNSPD. In this paper, we demonstrate a process of patterning ultra-thin Nb N films into meander-type nanowires by using the nanoimprint technology. In this process, a combination of hot embossing nano-imprint lithography(HE-NIL) and ultraviolet nano-imprint lithography(UV-NIL) is used to transfer the meander nanowire structure from the NIL Si hard mold to the Nb N film. We have successfully obtained a Nb N nanowire device with uniform line width. The critical temperature(Tc) of the superconducting Nb N meander nanowires is about 5 K and the critical current(Ic) is about 3.5 μA at 2.5 K.     

基于金纳米棒@二氧化硅表面等离子体共振增强的有机太阳能电池

把包裹SiO₂的金纳米棒（Au NRs@SiO₂）掺杂到有机太阳能电池的活性层中,利用表面等离子体共振效应来增强活性层对光的吸收,从而提高有机太阳能电池的能量转换效率。研究了不同掺杂浓度和不同包裹厚度对电池性能的影响。结果表明,掺杂浓度为1.5%时,器件性能最佳,能量转换效率达到4.02%;SiO₂壳层厚度为3 nm时,转换效率达到4.38%,较标准电池提升了29.2%。     

Performance of superconducting nanowire single-photon detector with the fan coupling antenna array

The performance of superconducting nanowire single-photon detector （SNSPD） involving niobium nitride with the fan coupling antenna array is analyzed. The SNSPD has a high detection efficiency and counting rate. Hydrogen silsesquioxane and niobium nitride are filled in the gold grating deposited on the substrate in which the fan coupling antenna arrays are embedded. By changing the position of the fan coupling antenna array, the maximum area of optical intensity is obtained and the photon collection efficiency is increased by 26.5 times. The detection efficiency of SNSPD is improved without changing the detection speed. These parameters are important for designing a practical single-photon detector,     

High efficiency nanotextured silicon solar cells

We report the computational modeling of forward scattering phenomena arising in Au nanoparticles array near their localized surface plasmon resonance, which by producing a strong field enhancement effect on the substrate leads to higher optical absorption and, therefore, higher efficiencies of operation. Computational calculations indicate that the ultimate efficiency of an optimized silicon nanoholes (SiNH) array texture surface in combination with the surface and bottom-of-a-trench Au nanoparticles array described herein, is 39.67%, which compares favorably with the ultimate efficiency of 31.11% for an optimized silicon nanoholes array texture surface. Furthermore, the utilization of an optimized silicon nitride antireflection coating increases the ultimate efficiency to a promising value of 41.88%, while the utilization of a single-crystal silicon layer of thickness 2.8 μm will be instrumental in drastically reducing solar cell manufacturing cost.     

Modified-DBR-based semi-omnidirectional multilayer anti-reflection coating for tandem solar cells

In this paper, multilayer antireflection coatings are designed by modifying the thickness of two and three paired layer distributed Bragg reflector （DBR） structure. Our proposed DBR-based structures show antireflection behaviors, in spite of the reflection treatment in traditional DBR structures. Firstly, the proposed structures are designed to be equivalent to the theoretical ideal triple-layer （TL） antireflection coating （ARC）. Therefore, the problem of finding a suitable material for the middle layer of triple structure is solved. Simulation results show the significant equivalency for the reflectance of proposed structures to the ideal TL ARC at the same wavelengths and incident angles. Also, the design of the structure is changed in order to present the constant reflectance coefficient over a wide range of wavelengths. This structure enhances the omni-directionality of the multilayer ARC.     

Doped niobium superconducting nanowire single-photon detectors

We designed and fabricated a special doped niobium (Nb*) superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD) on MgO substrate. The superconductivity of this ultra-thin Nb* film was further improved by depositing an ultra-thin aluminum nitride protective layer on top. Compared with traditional Nb films, Nb* films present higher T _C and J _C. We investigated the dependence of the characteristics of devices, such as cut-off wavelength, response bandwidth, and temperature, on their geometrical dimensions. Results indicate that reduction in both the width and thickness of Nb* nanowires extended the cut-off wavelength and improved the sensitivity. The Nb* SNSPD (50 nm width and 4.5 nm thickness) exhibited single-photon sensitivities at 1,310, 1,550, and 2,010 nm. We also demonstrated an enhancement in the detection efficiency by a factor of 10 in its count rate by lowering the working temperature from 2.26 K to 315 mK.     

超导单光子探测器件直流特性研究

超导单光子探测技术是基于超薄超导薄膜的非平衡态热电子效应的一种新型的单光子探测方法。超导单光子探测器(SNSPD)的计数率可达到GHz,时间抖动小于100ps,因而在未来量子通信系统中有着广阔的应用前景。介绍了NbN超导单光子探测器件的工作原理和器件超导性能测试系统;测试了超导单光子探测器件的电阻-温度、电流-电压等特性。并对测试结果进行了分析和讨论。     

面向窄线宽超导纳米线单光子探测器的电子束曝光技术

超导纳米线单光子探测器是新型超导电子器件,因其具有高探测效率、低暗计数及低时间抖动等优势,在量子信息、激光雷达等方面已得到广泛的应用.目前主流超导纳米线单光子探测器主要工作在1.5_m 以下的可见光和近红外波段.中红外波长的红外探测技术在基础科学、医学、日常生活以及军事等广泛领域发挥着重要作用,中红外单光子探测器可以使得中红外波段探测技术进入量子极限灵敏度.根据超导纳米线单光子探测器探测机理,超窄线宽的纳米线条可以提升超导纳米线单光子探测器在中红外波长的灵敏度.电子束曝光技术是目前实现超导纳米线单光子探测器纳米线线条加工的主流技术,电子束抗蚀剂种类繁多,面向超窄线宽超导纳米线单光子探测器器件的制备需求,对两款抗蚀剂进行性能测试表征,和窄纳米线制备尝试.根据负性电子束抗蚀剂MaN-2401在制备窄线宽时的显著优点,优化工艺,利用其成功制备出50nm 线宽超导纳米线单光子探测器并成功实现了2000nm 的单光子响应.