铌钛超导热电子测辐热仪的设计、制备和表征

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。