铌钛超导热电子测辐热仪的设计、制备和表征

太赫兹检测技术是太赫兹电子技术中的关键技术之一，超导热电子测辐热仪是一种太赫兹频段重要的检测器，具有噪声温度低、本振功率要求低、频谱响应范围宽的优点。铌钛材料是目前应用较广的超导材料之一，但仅限于体材料的应用。本项目结合本人在超导热电子测辐热仪设计制备上的经验和高性能复合铌钛薄膜的制备基础上，将实现超导铌钛热电子测辐热仪的设计、制备及表征，并与我们小组已成熟掌握的氮化铌超导热电子测辐热仪进行对比研究，进而进一步揭示超导热电子测辐热仪的机制、提高其性能。

超导热电子测辐射热计(hot electron bolometer, HEB)基于超导微桥中的热电子效应，可以对太赫兹(THz)信号进行高灵敏检测。由于其优异的检测灵敏度，已被应用于天文、遥感、成像等前沿技术的研究及应用中。本项目根据HEB器件的特点及应用需要，使用磁控溅射技术，在高阻硅(Si)衬底上，研究制备并优化了纳米厚度的氮化铌(NbN)和特殊掺杂的铌(Nb*)超薄薄膜。并利用多种现代技术分析手段，研究了薄膜的表面和界面性能、化学元素配比、晶格结构等特性。利用制备出的多种高质量的超导薄膜，制备出具有高灵敏特性的超导HEB器件，表征了器件电学特性和混频特性，取得了以下的研究结果。. 1.利用六氮五铌薄膜做为缓冲层，大幅提升了Si衬底上氮化铌薄膜的超导电性，在薄膜厚度小于10 nm情况下，与没有缓冲层的氮化铌薄膜相比，具有六氮五铌缓冲层的氮化铌薄膜，其超导转变温度可以提升5-8 K，超导临界电流密度提升1个数量级。30 nm六氮五铌薄膜缓冲层上，6 nm氮化铌薄膜的超导转变温度可高达13.5 K，临界电流密度达1.36×10e7 A/cm2 ，高于MgO衬底上的氮化铌薄膜的超导性能，是目前报道的最好结果。. 2.分析研究了六氮五铌缓冲层提升氮化铌薄膜超导性能的主要因素，提出薄膜中应力分配调节超导性能的模型，并利用XRD、TEM等多种分析手段证明了这一模型。这为进一步提升超导薄膜性能，优化HEB器件特性打下了技术基础。. 3.研究制备了特殊掺杂的超导铌（Nb*）薄膜，并利用1 nm厚度的氮化铝做为Nb*薄膜的保护层，有效防止了Nb*薄膜与环境中氧元素的反应导致的超导性能退化。测量结果表明，厚度为6.5 nm的Nb*薄膜超导转变温度可达7.45 K，临界电流密度达8.15×10e6 A/cm2，远高于同等厚度的普通纯铌薄膜的超导性能。. 4.利用研究制备的铌基超导超薄薄膜，制备了超导HEB器件，表征了器件的超导电性和对太赫兹信号的检测性能，并深入研究了材料、薄膜厚度与微桥尺寸对器件性能的影响。. 本项目共发表SCI论文3篇（第一作者均已标注），申请专利5项（已授权2项），其中第一申请人3项（已授权1项），参加国际会议5人次，培养硕士研究生3人，超额完成了项目目标。