太赫兹超导热电子混频器和相变边缘探测器特性研究

作     者：郭晓辉 

作者单位：上海师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：史生才;张文

授予年度：2017年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：太赫兹 超导热电子混频器 超导相变边缘探测器 铁基薄膜 接触电极 噪声温度 噪声等效功率 

摘      要：太赫兹波段是观测原初引力波、宇宙微波背景辐射、星系形成和演化、恒星和行星系统的形成和演化、地外行星大气物理化学特性等的独特波段,在天体物理和宇宙学研究中具有不可替代的作用。国际上已经建立了一系列太赫兹望远镜(如:ALMA、SOFIA、JCMT、APEX等),并安装了高灵敏度相干或非相关探测器(及阵列)。超导热电子(HEB)混频器是1.5 THz以上频段外差接收机的首选探测器,但是仍然有较大的改进空间。超导相变边缘探测器(TES)可以达到背景噪声极限的灵敏度,同时随着多路读出复用技术的成熟已经成为宽带连续谱探测成像系统的优先选项。基于以上研究背景,本文详细研究了超导热电子混频器和超导相变边缘探测器的特性。主要研究内容及成果如下:1.详细研究了NbN超导热电子混频器接触电极对其性能的影响。发现当接触电极处于电阻态时,因为变频损耗增大导致接收机噪声温度急剧恶化,同时有效微桥长度由于临近效应而缩短,电子扩散制冷起作用引起中频带宽增加。2.初步探索了铁基超导热电子混频器的电特性。在铁基超导薄膜特性表征的基础上设计并制备了铁基超导热电子混频器,发现因为过刻蚀,器件临界温度从15 K降低到6 K,铁基超导热电子混频器需求的本振功率约为500 nW,与NbN超导热电子混频器相当。该项工作的研究成果有助于将来继续优化铁基超导热电子混频器。3.详细研究了薄膜支撑的超导相变边缘探测器的电特性。超导TES探测器的临界温度经过KOH湿刻后降低为350 mK,同时正常态电阻增大到30欧姆。实测的热导为800 pW/K,有效响应时间为5微秒,噪声等效功率为5x10-17W/Hz0.5,满足地面应用背景极限的灵敏度要求。本文的研究工作加深了对超导HEB热电子混频器和超导TES探测器的理解,为将来应用于太赫兹望远镜打下技术基础。