摘要：介紹了高Tc超導(dǎo)紅外控測(cè)器的技術(shù)性能、特點(diǎn)及其應(yīng)用,論述了各種探測(cè)機(jī)理和模式,扼要介紹了各種高超紅外新產(chǎn)品和新技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：超導(dǎo)紅外探測(cè)器;探測(cè)機(jī)理;高溫超導(dǎo)器件
目前,高Tc超導(dǎo)紅外探測(cè)器的研究已成為超導(dǎo)電子學(xué)中的重要內(nèi)容之一,這是因?yàn)楦逿c超導(dǎo)探測(cè)器的研制水平已進(jìn)入實(shí)用階段,并且成為光電探測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向.與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測(cè)器相比高Tc超導(dǎo)探測(cè)器在大于20μm的長(zhǎng)波探測(cè)中將成為優(yōu)良的接收器,這一點(diǎn)填補(bǔ)了電磁波譜中遠(yuǎn)紅外至毫米波段的空白。此外,它還具有高集成、低功率高成品率、低價(jià)格的優(yōu)點(diǎn)。預(yù)計(jì)這一技術(shù)將在天文探險(xiǎn)測(cè)、光譜研究、遠(yuǎn)紅外激光接收和軍事光學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
1 超導(dǎo)探險(xiǎn)測(cè)機(jī)理
用超導(dǎo)體檢測(cè)紅外輻射早在50年代就已開(kāi)始,但由于20K以下低溫的工作條件限制而一直停滯不前高Tc超導(dǎo)材料的問(wèn)世使這一技術(shù)得到了新生。其探測(cè)機(jī)理有如下幾種：
1．1 電阻與溫度關(guān)系機(jī)制
這種原理的利用超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)時(shí),電阻隨溫度變化而急劇改變的特性來(lái)檢測(cè)紅外輻射的一程機(jī)理�，F(xiàn)有的高Tc bolometer就是依據(jù)這個(gè)原理研制而成的。
1．2 電感與溫度關(guān)系機(jī)制
該機(jī)制是根據(jù)超導(dǎo)膜在Tc探測(cè)率下,其動(dòng)態(tài)電感隨溫度變化而急劇改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種探測(cè)器在Tc下工作,可消除bolometer熱噪聲,并可非常精確地測(cè)定動(dòng)電感Lk引起的頻率變化,具有制作簡(jiǎn)單、靈敏度高的特點(diǎn)。
1．3 磁化率與溫度關(guān)系機(jī)制
當(dāng)紅外輻射照射在超導(dǎo)敏感元件上并引起溫度上升時(shí),其磁化率將迅速變化,就種現(xiàn)象就像“磁場(chǎng)快門”。利用這種現(xiàn)象可通過(guò)磁機(jī)制的改變或交流磁化率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射輻射檢測(cè),現(xiàn)已根據(jù)這一機(jī)理試制出NEP～10-11W·HZ-1/2探測(cè)器。這種探測(cè)器在低溫下工作和室溫下讀取信號(hào)的設(shè)計(jì)非常有利。
1. 4 光助隧道效應(yīng)
1962年,Josepson在理論上預(yù)言：若兩個(gè)超導(dǎo)體之間隔有一層很薄的絕緣介質(zhì)（約幾納米）,那么弱電流（μA到mA）便可無(wú)阻地穿過(guò)。不久這一預(yù)言被貝爾實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)所證實(shí),這種現(xiàn)象稱為約瑟夫遜效應(yīng)。
1. 5 非平衡光電效應(yīng)
Testardi認(rèn)為：借助于光子破壞超導(dǎo)庫(kù)柏電子對(duì)可產(chǎn)生準(zhǔn)粒子,準(zhǔn)粒子的存在將使超導(dǎo)能隙被壓縮,并破壞超導(dǎo)電性。因而可利用這種現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射的檢測(cè)。
如今,研究人員已在Sn、Pb及其氧化物、BaPb-BiO和YBCO等材料中觀察到這種現(xiàn)象。其響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于10-4秒。
1. 6 光磁量子效應(yīng)
這一效應(yīng)是從超導(dǎo)相位滑移物理概念發(fā)展起來(lái)的,1990年由A.M.Kakin等人形成光磁量子探測(cè)紅外輻射的新型機(jī)理。當(dāng)條狀導(dǎo)體寬度小于超導(dǎo)相干長(zhǎng)度時(shí),在臨界電流Ic的作用下,其超導(dǎo)電性的破壞要經(jīng)過(guò)局部相位滑移,并形成中心渦旋。就是說(shuō),超導(dǎo)能隙Δ局部壓縮為零,超導(dǎo)相應(yīng)重復(fù)地滑移。對(duì)于二維超導(dǎo)體來(lái)說(shuō),這個(gè)滑移過(guò)程連接成圈而形成渦旋—反渦旋對(duì),在兩個(gè)渦旋中由于產(chǎn)生的橫向洛倫茲力使彼此排斥而分開(kāi)。同時(shí)產(chǎn)生凈磁通為φ0的電壓脈沖。如今,用NbN和BaPbBiO膜已在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這種光助渦旋量子探測(cè)輻射的微觀機(jī)制,并分別得到Rv為6000V/W和104V/W的結(jié)果,其τ值優(yōu)于納秒。
1. 7 能斯脫效應(yīng)
當(dāng)入射光照射到高TC膜上時(shí),膜內(nèi)將產(chǎn)生垂直于表面的濕度梯度,在外加磁場(chǎng)下,沿膜表面可測(cè)出紅外輻射的存在。它是運(yùn)用磁通線的消釘扎和溫度梯度驅(qū)動(dòng)磁通線的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的。其響應(yīng)速度較快,通常為10-6秒級(jí)。
1. 8 電流與濕度關(guān)系機(jī)制
1993年,M.I.Fiik等人設(shè)想出一種新型輻射失探測(cè)器,稱為本征超導(dǎo)輻射探測(cè)器（ISRD）。它是利用超導(dǎo)薄膜的臨界電流Ic與T的關(guān)系制成的,MIT獲W·Hz1/2,D=2.7×109cm·H-1·W-1,該探測(cè)器具有達(dá)到聲子噪音有線的潛力。
1. 9 熱電子型
這是由Beukeley大學(xué)提出的深低溫探測(cè)器,.可以大到1.15×1015cm·W-1的高性能。
2 超導(dǎo)紅外探測(cè)器的性能特點(diǎn)
根據(jù)上述9種探測(cè)機(jī)理設(shè)計(jì)制造了各種樣式的高Tc超導(dǎo)紅外探測(cè)器,其中交成熟的是根據(jù)R～T關(guān)系制造的bolometer型器件。其次是Josephson結(jié)型器件。表1列出了現(xiàn)階段幾種高水平探測(cè)器的主要性能。
從表1可以看出,單元超導(dǎo)探測(cè)器性能已達(dá)到實(shí)用水平。它們大多是用YiBa2Cu3O7材料制造的,主要是因?yàn)樵摬牧现颇すに嚦墒?Tc可達(dá)到90K,因此,探測(cè)器的熱學(xué)設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。
表1 高Tc超導(dǎo)器的要性能
| 超導(dǎo)材料 | 類 型 | NEP W.Hz -1/2 | D cm.Hz -1/2.W -4 | 研究結(jié)構(gòu) |
