RU238383U1 - Superconducting junction detector - Google Patents
Superconducting junction detectorInfo
- Publication number
- RU238383U1 RU238383U1 RU2025118712U RU2025118712U RU238383U1 RU 238383 U1 RU238383 U1 RU 238383U1 RU 2025118712 U RU2025118712 U RU 2025118712U RU 2025118712 U RU2025118712 U RU 2025118712U RU 238383 U1 RU238383 U1 RU 238383U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- critical temperature
- deposition
- films
- hafnium
- sensitive element
- Prior art date
Links
Abstract
Полезная модель относится к области приборостроения и измерительной техники, в частности к криогенным детекторам на основе сверхпроводников, которые могут применяться как для регистрации массивных частиц и фотонов рентгеновского диапазона, так и измерения энергии сверхмалых сигналов на 3-4 порядка ниже рентгеновского диапазона, в том числе в высокочувствительных микрокалориметрах, а также в системах контактного термодинамического контроля. Техническим результатом полезной модели является достижение низкой критической температуры детектор на основе сверхпроводящего перехода путем ее подавления нормальным металлом, а также в получении ширины перехода менее 5% от критической температуры, что обеспечивает высокий коэффициент температурной чувствительности. Сущность детектора на основе сверхпроводящего перехода заключается в том, что он состоит из сапфировой подложки, на которую последовательно нанесены тонкие металлические пленки из гафния и палладия, образующие чувствительный элемент, а также пленки, образующие электроды, напыление всех пленок выполнено электронно-лучевым методом. Электроды могут быть выполнены последовательным напылением титана и алюминия электронно-лучевым методом, суммарная толщина которых превышает 200 нм, а напыление чувствительного элемента может выполняться на постоянно охлаждаемую подложку. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. This utility model relates to instrumentation and measurement technology, specifically to cryogenic superconductor-based detectors that can be used to detect massive particles and X-ray photons, as well as to measure the energy of ultra-small signals 3-4 orders of magnitude below the X-ray range, including in highly sensitive microcalorimeters and contact thermodynamic control systems. The technical result of this utility model is the achievement of a low critical temperature by a superconducting junction detector through its suppression by a normal metal, as well as the achievement of a junction width less than 5% of the critical temperature, which ensures a high temperature sensitivity coefficient. The essence of the superconducting junction detector is that it consists of a sapphire substrate onto which thin metal films of hafnium and palladium are sequentially deposited, forming a sensitive element, as well as films forming electrodes. All films are deposited using an electron beam method. The electrodes can be produced by sequential deposition of titanium and aluminum using the electron beam method, the total thickness of which exceeds 200 nm, and the deposition of the sensitive element can be performed on a continuously cooled substrate. 2 c.p. phyl., 2 fig.
Description
Область техники, к которой относится полезная модельThe field of technology to which the utility model belongs
Полезная модель относится к области приборостроения и измерительной техники, в частности к криогенным детекторам на основе сверхпроводников, которые могут применяться как для регистрации массивных частиц и фотонов рентгеновского диапазона, так и измерения энергии сверхмалых сигналов на 3-4 порядка ниже рентгеновского диапазона, в том числе в высокочувствительных микрокалориметрах, а также в системах контактного термодинамического контроля.The utility model relates to the field of instrumentation and measurement technology, in particular to cryogenic detectors based on superconductors, which can be used both for recording massive particles and photons in the X-ray range, and for measuring the energy of ultra-small signals 3-4 orders of magnitude below the X-ray range, including in highly sensitive microcalorimeters, as well as in contact thermodynamic control systems.
Уровень техникиState of the art
Вольфрам рассматривается в качестве основы для изготовления пленок с контролируемой критической температурой ниже 100 мК достаточно давно, и в этом смысле микрокалориметры на основе вольфрама являются аналогом полезной модели. Наибольший прогресс в вольфрамовой технологии был продемонстрирован в работе (Roth, S., Ciemniak, C., Coppi, C. et al. Properties of Tungsten Thin Films Produced with the RF-Sputtering Technique. J Low Temp Phys 151, 216–222 (2008). https://doi.org/10.1007/s10909-007-9642-0).Tungsten has been considered as a basis for the production of films with a controlled critical temperature below 100 mK for quite a long time, and in this sense, tungsten-based microcalorimeters are an analogue of a utility model. The greatest progress in tungsten technology was demonstrated in the work (Roth, S., Ciemniak, C., Coppi, C. et al. Properties of Tungsten Thin Films Produced with the RF-Sputtering Technique. J Low Temp Phys 151, 216–222 (2008). https://doi.org/10.1007/s10909-007-9642-0).
Особенность вольфрама в том, что он имеет несколько фаз, отличающихся критическими температурами: альфа-вольфрам с температурой перехода около 15 мК, бета-вольфрам с температурой перехода от 1 до 4 К и гамма-вольфрам с критической температурой до 6 К. Различие в критической температуре является следствием различной кристаллографической структуры. Именно альфа-вольфрам с критической температурой 12-15 мК является наиболее привлекательным для создания TES микрокалориметров. Однако его ограниченное применение обусловлено отсутствием криостатов с подходящей температурой, так как для оптимальной работы TES требуется базовая температура в два раза ниже критической температуры, тогда как коммерческие криостаты растворения редко достигают температур ниже 10 мК. Поэтому альфа-вольфрам в чистом виде практически не используется для TES. Для повышения критической температуры альфа-вольфрам требуется развитие новой технологии, например, с примесью бета-вольфрама. Недостатком такого подхода является плохая воспроизводимость, в результате чего технология, развитая в какой-либо лаборатории, не повторяется в других местах. Так, например, в цитируемой работе на основе альфа-вольфрама были получены критические температуры исследуемых структур в диапазоне от 25 до 55 мК, а ширина сверхпроводящего перехода составила от 1,5 до 4 мК. В работе (Abdelhameed, A.H., Bakhlanov, S.V., Bauer, P. et al. New limits on the resonant absorption of solar axions obtained with a Tm-containing cryogenic detector. Eur. Phys. J. C 80, 2020, р.376) критическая температура пленок вольфрама была стабилизирована на значении 23 мК. В работе (S. J. Hart, M. Pyle, J. J. Yen, B. A. Young, P. L. Brink, B. Cabrera, M. Cherry, N. Mirabolfathi, B. Sadoulet, D.Seitz, K. Sundqvist, and A. Tomada, Phase Separation in Tungsten Transition Edge Sensors, AIP Conference Proceedings 1185, 2009, р.215) была развита технология, позволяющая получить вольфрамовые пленки для TES с критической температурой около 100 мК. В каждом случае развитие технологии заняло несколько лет. Дополнительная сложность получения стабильных вольфрамовых пленок заключается в том, что различные модификации кристаллографической структуры не только имеют существенно разную критическую температуру, но и могут превращаться друг в друга во время циклов охлаждения и нагрева пленок. Tungsten is unique in that it has several phases with distinct critical temperatures: alpha-tungsten with a transition temperature of approximately 15 mK, beta-tungsten with a transition temperature of 1 to 4 K, and gamma-tungsten with a critical temperature of up to 6 K. The difference in critical temperature is a consequence of their different crystallographic structures. Alpha-tungsten, with a critical temperature of 12-15 mK, is the most attractive for creating TES microcalorimeters. However, its limited use is due to the lack of cryostats with the appropriate temperature, as optimal TES operation requires a base temperature half that of the critical temperature, while commercial dilution cryostats rarely achieve temperatures below 10 mK. Therefore, pure alpha-tungsten is rarely used for TES. Increasing the critical temperature of alpha-tungsten requires the development of new technologies, such as those with beta-tungsten impurities. A disadvantage of this approach is poor reproducibility, meaning that a technology developed in one laboratory cannot be replicated elsewhere. For example, in the cited study, critical temperatures of the studied structures using alpha-tungsten were obtained in the range of 25 to 55 mK, and the superconducting transition width ranged from 1.5 to 4 mK. In the study (Abdelhameed, A.H., Bakhlanov, S.V., Bauer, P. et al. New limits on the resonant absorption of solar axions obtained with a Tm-containing cryogenic detector. Eur. Phys. J. C 80, 2020, p. 376), the critical temperature of tungsten films was stabilized at 23 mK. In the work (S. J. Hart, M. Pyle, J. J. Yen, B. A. Young, P. L. Brink, B. Cabrera, M. Cherry, N. Mirabolfathi, B. Sadoulet, D. Seitz, K. Sundqvist, and A. Tomada, Phase Separation in Tungsten Transition Edge Sensors, AIP Conference Proceedings 1185, 2009, p. 215), a technology was developed that makes it possible to obtain tungsten films for TES with a critical temperature of about 100 mK. In each case, the development of the technology took several years. An additional difficulty in obtaining stable tungsten films is that different modifications of the crystallographic structure not only have significantly different critical temperatures, but can also transform into each other during cooling and heating cycles of the films.
Вторым аналогом являются микрокалориметры TES из пленок иридия (Р. Hennings-Yeomans, C. L. Chang, J. Ding, A. Drobizhev, B. K. Fujikawa, S. Han, G. Karapetrov, Yu. G. Kolomensky, V. Novosad, T. O’Donnell, J. L. Ouellet, J. Pearson, T. Polakovic, D. Reggio, B. Schmidt, B. Sheff, V. Singh, R. J. Smith, G. Wang, B. Welliver, V. G. Yefremenko, J. Zhang; Controlling Tc of iridium films using the proximity effect. J. Appl. Phys. 21 October 2020; 128 (15): 154501. https://doi.org/10.1063/5.0018564). К недостаткам данного технического решения также, как и в случае с вольфрамом, относится сложность технологии, вызванная требовательностью иридия к условиям осаждения. Для того, чтобы иридий был сверхпроводящим, при его осаждении требуется нагрев подложки до температур 600-800ºС. Кроме этого, критическая температура чистого иридия достаточно высока для обсуждаемых приложений - 110-130 мК. Это, в свою очередь, требует напыления дополнительных слоев нормальных металлов, например золото-иридий-золото или иридий-платина и иридий-палладий. Критическая температура иридия в трислоях золото-иридий-золото находится в диапазоне от 20 до 100 мК. Такого же результата можно достичь для бислоев иридий-платина. Ширина сверхпроводящего перехода при этом составляет около 2 мК. Принимая во внимание то, что пленки иридия являются сверхпроводящими только при толщине больше 100 нм, общая толщина трислоев или бислоев оказывается более 200 нм, увеличивая объем чувствительного элемента и снижая тем самым его чувствительность. Также к недостаткам можно отнести высокую стоимость иридия и его труднодоступность. The second analogue is TES microcalorimeters made of iridium films (R. Hennings-Yeomans, C. L. Chang, J. Ding, A. Drobizhev, B. K. Fujikawa, S. Han, G. Karapetrov, Yu. G. Kolomensky, V. Novosad, T. O’Donnell, J. L. Ouellet, J. Pearson, T. Polakovic, D. Reggio, B. Schmidt, B. Sheff, V. Singh, R. J. Smith, G. Wang, B. Welliver, V. G. Yefremenko, J. Zhang; Controlling Tc of iridium films using the proximity effect. J. Appl. Phys. 21 October 2020; 128 (15): 154501. https://doi.org/10.1063/5.0018564). The disadvantages of this technical solution, as with tungsten, include the complexity of the technology, due to iridium's demanding deposition conditions. For iridium to superconduct, the substrate must be heated to temperatures of 600-800ºC during deposition. Furthermore, the critical temperature of pure iridium is quite high for the applications under discussion—110-130 mK. This, in turn, requires the deposition of additional layers of normal metals, such as gold-iridium-gold or iridium-platinum and iridium-palladium. The critical temperature of iridium in gold-iridium-gold trilayers ranges from 20 to 100 mK. The same result can be achieved with iridium-platinum bilayers. The superconducting transition width in this case is approximately 2 mK. Considering that iridium films are only superconducting at thicknesses greater than 100 nm, the total thickness of trilayers or bilayers exceeds 200 nm, increasing the volume of the sensing element and thereby reducing its sensitivity. Other disadvantages include the high cost and limited availability of iridium.
Более доступным и простым с точки зрения технологии материалом является гафний. На основе гафния предложен (патенты RU2801920C1 и RU2801961C1) и реализован сверхпроводящий RFTES детектор (A. V. Merenkov, V. I. Chichkov, A. B. Ermakov, A. V. Ustinov, S. V. Shitov; Superconducting RFTES Detector at MilliKelvin Temperatures. IEEE Trans. Appl. Supercond. 17 April 2018; 28 (7): 2100305. https://doi.org/10.1109/TASC.2018.2827981), состоящий из микромостика гафния, интегрированного в антенну RF диапазона. Такой детектор может также считаться аналогом полезной модели, несмотря на значительные отличия. Сходство указанного аналога с заявляемой полезной моделью заключается в использовании гафния в качестве материала чувствительного элемента. Главное отличие заключается в том, что RFTES-детектор нуждается в антенне для того, чтобы реализовать нагрев микромостика из гафния размером 2,5×2,5 мкм и толщиной 50 нм. Антенна сделана из пленки ниобия толщиной 100 нм. Опубликованное решение разработано для считывания полезного отклика не на постоянном токе, а в диапазоне частот 1,5 ГГц. В этом режиме он работает как болометр, в котором принимаемый сигнал изменяет импеданс мостика за счет нагрева электронной подсистемы, но при этом для работы такого устройства требуются достаточно сложные и дорогостоящие СВЧ усилители, что является его недостатком.A more accessible and simpler material from a technological point of view is hafnium. A superconducting RFTES detector based on hafnium was proposed (patents RU2801920C1 and RU2801961C1) and implemented (A. V. Merenkov, V. I. Chichkov, A. B. Ermakov, A. V. Ustinov, S. V. Shitov; Superconducting RFTES Detector at MilliKelvin Temperatures. IEEE Trans. Appl. Supercond. 17 April 2018; 28 (7): 2100305. https://doi.org/10.1109/TASC.2018.2827981), consisting of a hafnium microbridge integrated into an RF range antenna. Such a detector can also be considered an analogue of a utility model, despite significant differences. The similarity between this analog and the claimed utility model lies in the use of hafnium as the sensing element material. The main difference is that the RFTES detector requires an antenna to heat a 2.5 x 2.5 µm, 50 nm thick hafnium microbridge. The antenna is made of a 100 nm thick niobium film. The published solution is designed to read the useful response not at a DC current, but in the 1.5 GHz frequency range. In this mode, it operates as a bolometer, in which the received signal changes the bridge impedance by heating the electronic subsystem. However, operating such a device requires rather complex and expensive microwave amplifiers, which is a drawback.
Второй недостаток данного аналога связан с иной технологией нанесения гафния. В указанной работе гафний наносится методом магнетронного распыления, что приводит к крупнозернистой структуре и повышенной критической температуры до 380 мК.The second drawback of this analogue is related to a different hafnium deposition technology. In the cited work, hafnium is deposited using magnetron sputtering, which results in a coarse-grained structure and an elevated critical temperature of up to 380 mK.
Существует несколько функциональных прототипов полезной модели, среди которых наиболее близким прототипом является TES из иридия и золота (Godehard Angloher, Michael Altmann, Matthias Buehler, Franz von Feilitzsch, Theo Hertrich, Paul Hettl, Jens Hoehne, Michael Huber, Josef Jochum, Rudolf Moessbauer, Johann Schnagl, Stefanie Waenninger, "Cryogenic microcalorimeters for high-resolution energy-dispersive x-ray spectrometry," Proc. SPIE 3765, EUV, X-Ray, and Gamma-Ray Instrumentation for Astronomy X, 22 October 1999; https://doi.org/10.1117/12.366543 ). Данный прототип является структурой квадратной формы, представляющей из себя тонкую пленку из иридия и золота, осажденную на сапфировую подложку с помощью специальной установки ультравысокого вакуума. Суммарная толщина данной пленки составляет 150 нм. Соединительные линии для измерения тонкой пленки изготовлены из алюминия. Полученная структура обладает критической температурой в 40 мК и шириной сверхпроводящего перехода менее 2 мК.There are several functional prototypes of the utility model, among which the closest prototype is a TES made of iridium and gold (Godehard Angloher, Michael Altmann, Matthias Buehler, Franz von Feilitzsch, Theo Hertrich, Paul Hettl, Jens Hoehne, Michael Huber, Josef Jochum, Rudolf Moessbauer, Johann Schnagl, Stefanie Waenninger, "Cryogenic microcalorimeters for high-resolution energy-dispersive x-ray spectrometry," Proc. SPIE 3765, EUV, X-Ray, and Gamma-Ray Instrumentation for Astronomy X, 22 October 1999; https://doi.org/10.1117/12.366543). This prototype is a square structure consisting of a thin film of iridium and gold deposited on a sapphire substrate using a specialized ultra-high vacuum setup. The total film thickness is 150 nm. The connecting lines for measuring the thin film are made of aluminum. The resulting structure has a critical temperature of 40 mK and a superconducting transition width of less than 2 mK.
Недостатком прототипа является ширина перехода, составляющая 5% от критической температуры 40 мК, а также уже обсуждавшаяся при описании аналога сложность иридиевой технологи. Кроме этого, прототип имеет структурное отличие от предлагаемого решения, заключающееся в наличии поглотителя из золота толщиной 1 мкм, напыленного сверху на Ir/Au пленку, который увеличивает теплоемкость микрокалориметра, причем площадь поглотителя значительно меньше площади термочувствительной пленки. Наличие поглотителя необходимо для приложений, где требуется поглощать рентгеновские лучи с энергиями 6 кэВ и более. Для детектирования меньших энергий такая конфигурация микрокалориметра не помогает детектированию, а только усложняет технологию и ухудшает разрешающую способность микрокалориметра из-за увеличения общей теплоемкости термочувствительной пленки и абсорбера. Также наличие второго более толстого слоя золота над первым тонким слоем, локально понижает критическую температуру пленки иридия, создавая неоднородность критической температуры и, тем самым, увеличивая ширину сверхпроводящего перехода. Поэтому необходимо создание альтернативной технологии, не имеющей вышеописанных ограничений.The prototype's drawbacks include the transition width, which is 5% of the critical temperature of 40 mK, as well as the complexity of the iridium technology, discussed in the description of the analog. Furthermore, the prototype differs structurally from the proposed solution in that it includes a 1-μm-thick gold absorber deposited on top of the Ir/Au film. This absorber increases the microcalorimeter's heat capacity, although its area is significantly smaller than that of the heat-sensitive film. The absorber is necessary for applications requiring the absorption of X-rays with energies of 6 keV and higher. For detection of lower energies, this microcalorimeter configuration does not enhance detection, but rather complicates the technology and reduces the microcalorimeter's resolution due to the increased combined heat capacity of the heat-sensitive film and absorber. Furthermore, the presence of a second, thicker gold layer above the first thin layer locally lowers the critical temperature of the iridium film, creating nonuniformity in the critical temperature and thereby increasing the width of the superconducting transition. Therefore, an alternative technology without the above-mentioned limitations is needed.
Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model
Задача полезной модели заключается в разработке технологии изготовления детектора на основе сверхпроводящего перехода с высоким коэффициентом температурной чувствительности. Технология должна обеспечивать высокую предсказуемость и стабильность характеристик, будучи доступной и экономически целесообразной. The objective of the utility model is to develop a technology for manufacturing a detector based on a superconducting junction with a high temperature sensitivity coefficient. The technology should ensure highly predictable and stable characteristics while being accessible and cost-effective.
Техническим результатом полезной модели является достижение низкой критической температуры детектора на основе сверхпроводящего перехода путем ее подавления нормальным металлом, а также в получении ширины перехода менее 5% от критической температуры, что обеспечивает высокий коэффициент температурной чувствительности. The technical result of the utility model is the achievement of a low critical temperature of a detector based on a superconducting transition by suppressing it with a normal metal, as well as obtaining a transition width of less than 5% of the critical temperature, which ensures a high temperature sensitivity coefficient.
Дополнительным техническим результатом является обеспечение повторяемости параметров изготовленных образцов, а также их стабильность при термоциклировании и длительном хранении.An additional technical result is ensuring the repeatability of the parameters of manufactured samples, as well as their stability during thermal cycling and long-term storage.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в детекторе на основе сверхпроводящего перехода, состоящем из сапфировой подложки, на которую последовательно нанесены тонкие металлические пленки, образующие чувствительный элемент и электроды, новым является то, что чувствительный элемент, толщина которого менее 105 нм, состоит из гафния в качестве первой пленки, и палладия - в качестве второй, напыление которых выполнено электронно-лучевым методом.The said technical result is achieved due to the fact that in a detector based on a superconducting junction, consisting of a sapphire substrate onto which thin metal films are successively deposited, forming a sensitive element and electrodes, what is new is that the sensitive element, the thickness of which is less than 105 nm, consists of hafnium as the first film, and palladium as the second, the deposition of which is carried out using an electron beam method.
Электроды могут быть выполнены последовательным напылением титана и алюминия электронно-лучевым методом, суммарная толщина которых превышает 200 нм, а напыление чувствительного элемента может выполняться на постоянно охлаждаемую подложку. The electrodes can be produced by sequential deposition of titanium and aluminum using the electron beam method, the total thickness of which exceeds 200 nm, and the deposition of the sensitive element can be performed on a continuously cooled substrate.
В качестве первого слоя используется гафний в связи с тем, что он является сверхпроводником с уже достаточно низкой критической температурой 130 мК, для подавления которой не нужны слои нормальных металлов с толщинами, превышающими толщину базового сверхпроводника в несколько раз.Hafnium is used as the first layer due to the fact that it is a superconductor with a sufficiently low critical temperature of 130 mK, which does not require layers of normal metals with thicknesses several times greater than the thickness of the base superconductor to suppress it.
Применение палладия в качестве второго слоя позволяет подавить критическую температуру гафния ниже 100 мК, а также создать не оксидированную поверхность для последующего нанесения электродов. Преимущество палладия перед другими благородными металлами в том, что у палладия наибольшая плотность электронных состояний на уровне Ферми, в результате этого требуется меньшая толщина слоя для достижения того же эффекта подавления критической температуры.Using palladium as a second layer allows us to suppress the critical temperature of hafnium below 100 mK and create a non-oxidized surface for subsequent electrode deposition. An advantage of palladium over other noble metals is that it has the highest density of electron states at the Fermi level, requiring a thinner layer thickness to achieve the same critical temperature suppression effect.
Суммарная толщина чувствительного элемента, не превышающая 105 нм, обеспечивает низкую шероховатость пленки и однородность ее свойств, что в результате обеспечивает узкую ширину сверхпроводящего перехода.The total thickness of the sensitive element, not exceeding 105 nm, ensures low film roughness and homogeneity of its properties, which ultimately ensures a narrow superconducting transition width.
Методом электронно-лучевого напыления выращиваются пленки с аморфной структурой, что в случае гафния помогает достичь технический результат за счет того, что аморфные пленки имеют более низкую критическую температуру по сравнению с кристаллическими. Using the electron beam deposition method, films with an amorphous structure are grown, which in the case of hafnium helps to achieve a technical result due to the fact that amorphous films have a lower critical temperature compared to crystalline ones.
Все отличительные признаки в совокупности достаточны для достижения указанного технического результата.All distinctive features taken together are sufficient to achieve the specified technical result.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На фиг.1 представлены общий вид детектора и схема слоев с сохранением относительного масштаба. Fig. 1 shows a general view of the detector and a diagram of the layers with the relative scale maintained.
Цифрами обозначены следующие элементы: 1 - двухслойный чувствительный элемент из сверхпроводника и нормального металла, 2 - алюминиевые электроды, 3 - сапфировая/кремниевая подложка, 4 - первый слой чувствительного элемента (Hf), 5 - второй слой чувствительного элемента (Pd), 6 - подслой титана под алюминиевыми электродами для улучшения адгезии.The following elements are designated by numbers: 1 - a two-layer sensitive element made of a superconductor and a normal metal, 2 - aluminum electrodes, 3 - a sapphire/silicon substrate, 4 - the first layer of the sensitive element (Hf), 5 - the second layer of the sensitive element (Pd), 6 - a titanium sublayer under the aluminum electrodes to improve adhesion.
На фиг.2 показаны результаты измеренных сопротивлений детекторов на сапфировых подложках от температуры, демонстрирующие диапазон критических температур и ширины переходов менее 5% от критической температуры для детекторов с трех разных чипов:Fig. 2 shows the results of measured resistances of detectors on sapphire substrates as a function of temperature, demonstrating a range of critical temperatures and transition widths less than 5% of the critical temperature for detectors from three different chips:
Чип 1 Chip 1
200 мкм - ширина сверхпроводящего перехода 1,8% (0,8 мК) от критической температуры 43,7 мК;200 µm - superconducting transition width 1.8% (0.8 mK) of the critical temperature 43.7 mK;
Чип 1Chip 1
500 мкм - ширина сверхпроводящего перехода 0,2% (0,1 мК) от критической температуры 45,95 мК;500 µm - superconducting transition width 0.2% (0.1 mK) of the critical temperature 45.95 mK;
Чип 2 Chip 2
500 мкм - ширина сверхпроводящего перехода 4,5% (2,6 мК) от критической температуры 57,5 мК;500 µm - superconducting transition width 4.5% (2.6 mK) of the critical temperature 57.5 mK;
Чип 2 Chip 2
1000 мкм - ширина сверхпроводящего перехода 5,0% (3 мК) от критической температуры 59,6 мК;1000 µm - superconducting transition width 5.0% (3 mK) of the critical temperature 59.6 mK;
Чип 3 Chip 3
100 мкм (треугольники) - ширина сверхпроводящего перехода 0,7% (0,3 мК) от критической температуры 42,7 мК;100 µm (triangles) - superconducting transition width 0.7% (0.3 mK) of the critical temperature 42.7 mK;
Чип 3 Chip 3
100 мкм (круги) - ширина сверхпроводящего перехода 1,8% (0,8 мК) от критической температуры 43,5 мК;100 µm (circles) – superconducting transition width 1.8% (0.8 mK) of the critical temperature 43.5 mK;
Чип 3 Chip 3
500 мкм - ширина сверхпроводящего перехода 0,8% (0,4 мК) от критической температуры 48,2 мК.500 µm – the width of the superconducting transition is 0.8% (0.4 mK) of the critical temperature of 48.2 mK.
Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model
Современные технологии сверхпроводниковых микрокалориметров используют сверхпроводниковые пленки с суб-кельвинной критической температурой. Микрокалориметры на краю сверхпроводящего перехода (TES) достигли высоких разрешений по энергии в области детектирования сигналов с энергиями порядка килоэлектронвольта (кэВ). Однако детектирование сигналов порядка одного электронвольта (эВ) и ниже все еще недоступная область для них, требующая увеличения чувствительности и понижения шумов устройства. Modern superconducting microcalorimeter technologies utilize superconducting films with a sub-Kelvin critical temperature. Transition-edge-of-superconducting (TES) microcalorimeters have achieved high energy resolutions for detecting signals with energies on the order of kiloelectronvolts (keV). However, detecting signals of one electronvolt (eV) and below remains out of reach, requiring increased sensitivity and reduced device noise.
В общем случае разрешение по энергии TES микрокалориметра зависит преимущественно от трех параметров: теплоемкости С, логарифмической производной сопротивления по температуре α и температуры TES Т0:In general, the energy resolution TES of a microcalorimeter depends mainly on three parameters: heat capacity C, the logarithmic derivative of resistance with respect to temperature α and the temperature TES T 0 :
Таким образом, увеличение разрешающей способности TES микрокалориметра может быть достигнуто за счет уменьшения его размеров, за счет увеличения резкости зависимости сопротивления от температуры R(T) и за счет понижения рабочей температуры Т0, которая также является критической температурой TES. Наиболее эффективный способ - понижение Т0. Однако, как показывает расчет, только понижения критической температуры недостаточно, если требуется достичь разрешений по энергии менее 1 эВ. Для этого необходимо оптимизировать все три перечисленных параметра. Thus, increasing the resolving power of a TES microcalorimeter can be achieved by reducing its size, sharpening the resistance-temperature dependence R(T), and lowering the operating temperature T0 , which is also the critical temperature of the TES. The most effective method is to lower T0 . However, as calculations show, lowering the critical temperature alone is insufficient to achieve energy resolutions below 1 eV. To achieve this, all three of these parameters must be optimized.
Основное ограничение, из-за которого до сих пор не получены микрокалориметры с требуемыми параметрами, происходит из-за сложности контроля параметров сверхпроводящих пленок с низкими критическими температурами. Технологии изготовления пленок для наиболее популярных материалов в области температур ниже 100 мК, таких как вольфрам и иридий, сталкивается с серьезными ограничениями.The main limitation that has prevented microcalorimeters with the required parameters from being developed so far stems from the difficulty of controlling the parameters of superconducting films with low critical temperatures. Film production technologies for the most popular materials, such as tungsten and iridium, face serious limitations in the temperature range below 100 mK.
Примером конкретного выполнения заявляемой полезной модели является детектор, изображенный на фиг.1, представляющий собой чувствительный элемент, состоящий из двухслойной тонкопленочной структуры с толщиной слоев гафния и палладия 100 и 5 нм соответственно, и двух электродов из алюминия толщиной 200 нм, что обеспечивает устройству критическую температуру около 40 мК. Детектор изготавливается на подложке из сапфира, которая обладает хорошей теплопроводностью и способствует предотвращению перегрева.An example of a specific embodiment of the claimed utility model is the detector shown in Fig. 1, which is a sensitive element consisting of a two-layer thin-film structure with hafnium and palladium layers of 100 and 5 nm thickness, respectively, and two 200 nm thick aluminum electrodes, providing the device with a critical temperature of approximately 40 mK. The detector is fabricated on a sapphire substrate, which has good thermal conductivity and helps prevent overheating.
Перед процессом напыления производится предварительная очистка поверхности подложки в аргоновой плазме, которая удаляет органические загрязнения и оксидные слои, улучшая тем самым адгезию наносимых материалов. Методом электронно-лучевого напыления последовательно напыляются четыре слоя со следующими параметрами:Before the spraying process, the substrate surface is pre-cleaned with argon plasma, which removes organic contaminants and oxide layers, thereby improving the adhesion of the applied materials. Using electron beam evaporation, four layers are deposited sequentially with the following parameters:
Первый слой: материал - гафний, толщина - 100 нм, давление в рабочей камере - 5,9·10-8 мм рт.ст., скорость осаждения - 2 Å/с, температура подложки - 0°C, предраспыление - 3 мин;First layer: material - hafnium, thickness - 100 nm, pressure in the working chamber - 5.9·10 -8 mm Hg, deposition rate - 2 Å/s, substrate temperature - 0°C, pre-sputtering - 3 min;
Второй слой: материал - палладий, толщина - 5 нм, давление в рабочей камере - 2,8·10-8 мм рт.ст., скорость осаждения - 0,2 Å/с, температура подложки - -5°C, предраспыление - 20 с.;Second layer: material - palladium, thickness - 5 nm, pressure in the working chamber - 2.8 10 -8 mm Hg, deposition rate - 0.2 Å/s, substrate temperature - -5°C, pre-sputtering - 20 s.;
Третий слой: материал - титан, толщина - 5 нм, давление в рабочей камере - 8,5·10-8 мм рт.ст., скорость осаждения - 0,5 Å/с, температура подложки - 21°C, предраспыление - 2 мин;Third layer: material - titanium, thickness - 5 nm, pressure in the working chamber - 8.5 10 -8 mm Hg, deposition rate - 0.5 Å/s, substrate temperature - 21°C, pre-sputtering - 2 min;
Четвертый слой: материал - алюминий, толщина - 200 нм, давление в рабочей камере –5,7·10-8 мм рт.ст., скорость осаждения - 2 Å/с, температура подложки - 21°C, предраспыление - 3 мин.Fourth layer: material - aluminum, thickness - 200 nm, pressure in the working chamber -5.7·10 -8 mm Hg, deposition rate - 2 Å/s, substrate temperature - 21°C, pre-sputtering - 3 min.
Охлаждение подложки при напылении гафния и палладия не является обязательным. Однако опытным путем было выяснено, что при напылении этих материалов через резистивную маску, охлаждение подложки упрощает процесс взрыва резиста после напыления, который может менять свойства и деформироваться от высоких температур осаждаемых металлов.Cooling the substrate during hafnium and palladium deposition is not mandatory. However, experiments have shown that when depositing these materials through a resist mask, cooling the substrate simplifies the post-deposition resist explosion process, which can change its properties and deform due to the high temperatures of the deposited metals.
Работа полезной модели осуществляется следующим образом. The operation of the utility model is carried out as follows.
На детектор подается постоянное напряжение. При воздействии внешней энергии на чувствительный элемент, состоящий из бислоя гафния и палладия, его температура повышается, при этом малое изменение температуры вызывает резкое изменение сопротивления, которое в конечном счете регистрируются как изменение тока через детектор, которое может быть считано, например, сверхпроводящим квантовым интерферометром (СКВИД) постоянного тока.A constant voltage is applied to the detector. When external energy is applied to the sensitive element, which consists of a bilayer of hafnium and palladium, its temperature increases. A small change in temperature causes a sharp change in resistance, which is ultimately recorded as a change in current through the detector, which can be read, for example, by a DC superconducting quantum interferometer (SQUID).
Главной особенностью полезной модели является материал гафний, ранее не применявшийся для подобных задач. Температура плавления гафния (2227°C) ниже, чем у обоих материалов, используемых в аналогах и прототипе: у иридия - 2446°C, у вольфрама - 3422°C. Такая температура плавления дает возможность испарения гафния в установке электронно-лучевого напыления, в то время как для осаждения вольфрама необходимо использовать только установку магнетронного распыления. Иридий также осаждается в основном магнетроном, хотя есть работы с электронно-лучевым способом напыления. Установка электронно-лучевого напыления отличается от магнетронной меньшим размером мишеней и меньшим расходом материала, что снижает затраты на изготовление образцов. Что касается гафния, то его напыление возможно как магнетроном, так и электронным лучом. Однако электронно-лучевое напыление позволяет создавать структуры из гафния с аморфной поверхностью и более низкой критической температурой (130 мК), в то время как магнетронное распыление приводит к увеличению шероховатости поверхности и образованию крупных кристаллитов [A. I. Mardare, C. M. Siket, A. Gavrilović-Wohlmuther, C. Kleber, S. Bauer, A. W. Hassel, «Anodization Behaviour of Glassy Metallic Hafnium Thin Films», Journal of The Electrochemical Society, v. 162, 2015, pp. E30-E36], что повышает критическую температуру до 300 мК. Кроме того, поверхность гафния при нанесении электронным лучом менее подвержена окислению, что обеспечивает стабильность сверхпроводящих свойств в зависимости от времени.The key feature of the utility model is the use of hafnium, a material previously unused for similar applications. Hafnium's melting point (2227°C) is lower than that of both materials used in similar devices and the prototype: iridium's melting point is 2446°C, while tungsten's melting point is 3422°C. This melting point allows hafnium to be evaporated in an electron-beam deposition system, while tungsten deposition requires only a magnetron sputtering system. Iridium is also deposited primarily using a magnetron, although electron-beam deposition has been studied. Electron-beam deposition systems differ from magnetron deposition systems in that they have smaller targets and require lower material consumption, reducing sample fabrication costs. Hafnium can be deposited using either a magnetron or an electron beam. However, electron beam deposition allows the creation of hafnium structures with an amorphous surface and a lower critical temperature (130 mK), while magnetron sputtering leads to an increase in surface roughness and the formation of large crystallites [A. I. Mardare, C. M. Siket, A. Gavrilović-Wohlmuther, C. Kleber, S. Bauer, A. W. Hassel, “Anodization Behavior of Glassy Metallic Hafnium Thin Films”, Journal of The Electrochemical Society, v. 162, 2015, pp. E30–E36], which increases the critical temperature to 300 mK. In addition, the hafnium surface deposited by electron beam is less susceptible to oxidation, which ensures the stability of superconducting properties over time.
Предложенная технология изготовления терморезистивных детекторов на основе двухслойной пленки из гафния и палладия позволяет достичь низкой критической температуры и получить высокий коэффициент температурной чувствительности. Электронно-лучевое напыление значительно упрощает процесс и делает технологию экономически более эффективной по сравнению с прототипами и аналогами, где используются иридий и вольфрам. Это решение также отличается высокой повторяемостью параметров и стабильностью при термоциклировании.The proposed technology for manufacturing thermistor detectors based on a bilayer film of hafnium and palladium enables low critical temperatures and a high temperature sensitivity coefficient. Electron beam deposition significantly simplifies the process and makes the technology more cost-effective than prototypes and similar materials using iridium and tungsten. This solution also boasts high parameter repeatability and stability during thermal cycling.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU238383U1 true RU238383U1 (en) | 2025-10-28 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5880468A (en) * | 1996-08-26 | 1999-03-09 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Superconducting transition-edge sensor |
| RU2749575C1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-06-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Metal-dielectric-metal-dielectric-metal photodetector |
| US20230384165A1 (en) * | 2022-05-27 | 2023-11-30 | Nec Corporation | Bolometer-type infrared detector and method for manufacturing the same |
| RU2812235C1 (en) * | 2023-02-21 | 2024-01-25 | Александр Сергеевич Соболев | Bolometric receiver with polymer heat insulator |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5880468A (en) * | 1996-08-26 | 1999-03-09 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Superconducting transition-edge sensor |
| RU2749575C1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-06-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Metal-dielectric-metal-dielectric-metal photodetector |
| US20230384165A1 (en) * | 2022-05-27 | 2023-11-30 | Nec Corporation | Bolometer-type infrared detector and method for manufacturing the same |
| RU2812235C1 (en) * | 2023-02-21 | 2024-01-25 | Александр Сергеевич Соболев | Bolometric receiver with polymer heat insulator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fominaya et al. | Nanocalorimeter for high resolution measurements of low temperature heat capacities of thin films and single crystals | |
| US5880468A (en) | Superconducting transition-edge sensor | |
| US8674302B2 (en) | Superconducting transition edge sensors and methods for design and manufacture thereof | |
| US6239431B1 (en) | Superconducting transition-edge sensor with weak links | |
| Yan et al. | Eliminating the non-Gaussian spectral response of X-ray absorbers for transition-edge sensors | |
| US6455849B1 (en) | Normal metal boundary conditions for multi-layer TES detectors | |
| Lubsanov et al. | Materials for a broadband microwave superconducting single photon detector | |
| RU238383U1 (en) | Superconducting junction detector | |
| Ali et al. | Fabrication of Mo/Cu multilayer and bilayer transition edge sensors | |
| Irwin et al. | A hot-electron microcalorimeter for X-ray detection using a superconducting transition edge sensor with electrothermal feedback | |
| US3456112A (en) | Temperature sensitive capacitor device | |
| Tralshawala et al. | Fabrication of Mo/Au transition-edge sensors for X-ray spectrometry | |
| Finkbeiner et al. | Fabrication of superconducting bilayer transition edge thermometers and their application for spaceborne X-ray microcalorimetry | |
| JP3801309B2 (en) | Thermometer based on CB tunnel effect | |
| Zhang et al. | Annealing-induced conductivity enhancement of electroplated bismuth for transition-edge sensors | |
| Fábrega et al. | Size and dimensionality effects in superconducting Mo thin films | |
| JP2005286245A (en) | Superconducting element, neutron detector using the same, and method of manufacturing superconducting element | |
| US20200240847A1 (en) | Method, system and apparatus for measuring rest time of superconducting nanowire | |
| Macvicar | Amorphous carbon films: Conduction across metal/carbon/metal sandwiches | |
| Kiewiet et al. | Fabrication and characterization of infrared and sub-mm spiderweb bolometers with low-T/sub c/superconducting transition edge thermometers | |
| Otto et al. | Ti–TiO2–Al normal metal–insulator–superconductor tunnel junctions fabricated in direct-write technology | |
| Debbar et al. | Fabrication and characterization of chromium-chromium oxide-chromium metal-insulator-metal (MIM) tunnel junctions | |
| Otto et al. | An array of 100 Al–Al2O3–Cu SIN tunnel junctions in direct-write trilayer technology | |
| Chen et al. | Molybdenum-gold proximity bilayers as transition edge sensors for microcalorimeters and bolometers | |
| CN113659067A (en) | A kind of superconducting transition edge sensor, preparation method and micro-energy device |