Исследование теплофизических процессов в двумерных наноматериалах на основе висмута и сурьмы при воздействии терагерцового излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Демченко Пётр Сергеевич

• Демченко Пётр Сергеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Демченко Пётр Сергеевич

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Общие положения и состояние вопроса исследований теплофизических процессов в наноразмерных слоях термоэлектриков под воздействием излучения терагерцового диапазона

1.1 Проблематика применения устройств, работающих в терагерцовом диапазоне частот

1.2 Углеродные нанотрубки как термоэлектрический материал

1.3 Висмут и твердые растворы висмут-сурьмы

1.4 Теплофизические и электрофизические свойства висмута и твердых растворов висмут-сурьмы

1.5 Оптические свойства висмута и твердых растворов висмут-сурьмы

1.6 Фототермоэлектрические приемники терагерцового излучения на основе углеродных нанотрубок

1.7 Применение материалов на основе висмута и сурьмы в терагерцовой фотонике

1.8 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Исследование термоэлектрического эффекта в двумерных наноматериалах на основе твердого раствора висмут-сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот

2.1 Методы формирования образцов и оценки свойств образцов

2.1.1 Метод формирования наноразмерных пленок образцов висмута и сурьмы

2.1.2 Метод формирования микроструктуры с помощью лазерной абляции105

2.1.3 Методы измерения толщины образцов

2.1.4 Методы исследования состава и структуры образцов

2.1.4 Метод терагерцовой спектроскопии во временной области

2.2 Описание экспериментальной установки и методики исследования образцов

2.2.1 Экспериментальная установка

2.2.2 Методики исследования образцов

2.2.3 Методы расчета отклика структуры на излучение терагерцового диапазона частот

2.4 Результаты экспериментального исследования

2.4.1 Фототермический эффект в наноразмерных слоях висмута и сурьмы

2.4.2 Фотоэлектрический эффект в наноразмерных слоях висмута и сурьмы

2.4.3 Фототермоэлектрический эффект в наноразмерных слоях висмута и сурьмы

2.3.4 Оценка влияния состава твердого раствора висмута и сурьмы на оптические и электрические свойства

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Разработка математической модели для изучения теплофизических процессов и термоэлектрического эффекта в сплошных тонкопленочных образцах твердого раствора висмут-сурьмы

3.1 Геометрия модели

3.2 Математическая модель процесса

3.3 Начальные и граничные условия

3.4 Описание теплофизических, электрофизических и оптических свойств материалов

3.5 Результаты численного моделирования структуры Sb и Bi-Sb

3.6 Выводы по Главе

ГЛАВА 4. Экспериментальное и численное исследование теплофизических процессов в структурированных пленках твердого раствора висмут-сурьмы

4.1 Исследование теплофизических процессов в структурированных пленках

твердого раствора висмут-сурьмы с крестообразной микроструктурой при воздействии излучения терагерцового диапазона частот

4.2 Исследование теплофизических процессов в структурированных пленках твердого раствора висмут-сурьмы со спиральной микроструктурой при воздействии излучения терагерцового диапазона частот

4.3 Исследование отклика образцов на излучение

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А (справочное) Текст патента

Приложение Б (справочное) Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика работы Актуальность исследования

Основное применение термоэлектрических устройств преобразования энергии распространяется в области альтернативных источников электроэнергии и термоэлектрического охлаждения и нагрева. Но не малую роль они играют в детектировании оптической энергии.

Развитие получили в последние годы и гибридные фото-термоэлектрические системы преобразования энергии. Термоэлектрические преобразователи, применяемые в детектировании оптической энергии, как правило, представляют собой планарные термоэлектрические генераторы, горячая сторона которых покрыта поглотителем излучения. Развитие измерительной техники и методик детектирования может позволить применять их для улавливания излучения любого диапазона.

В последние годы внимание и усилия разработчиков аппаратуры направлено на возможности использования излучения терагерцового диапазона частот. Компонентная база терагерцовой фотоники (приемники, излучатели, частотные фильтры, модуляторы и прочее), охватывает устройства, рабочая частота которых находится в диапазоне 0,1 до 10 ТГц. Излучение данного диапазона частот обладает высоким потенциалом применения для космической связи, используется в новых стандартах беспроводной передачи данных и исследований в астрономии и астрофизике. Благодаря высокому поглощению излучения данного диапазона водой технологии на основе терагерцовой фотоники перспективны для получения изображений высокого разрешения в медицинской диагностике рака, генетических мутаций, диабета и многого другого. Терагерцовая спектроскопия также может быть использована для обнаружения и визуализации продуктов питания, сельскохозяйственных культур, токсичных химических соединений, строительства и строительных материалов, в неразрушающей дефектоскопии и контроле

влажности объектов или воздуха. На основе терагерцовой фотоники возможно разработки систем досмотра для поиска металлических объектов. На данный момент применимость излучения терагерцового диапазона частот продолжает изучаться.

Вместе с этим развиваются и улучшаются методики работы с излучением, в том числе приема и обнаружения излучения. Существуют множество устройств, которые функционируют на различных физических принципах с различными характеристиками. Но для изготовления требуются сложные технологические процессы, как, например, молекулярно-пучковая эпитаксия, токсичные материалы, как теллурид кадмия ртути (HgCdTe) или арсенид галлия (GaAs). Для некоторых видов приемников требуются специальные условия функционирования приемника, например, амплитудная модуляция исследуемого излучения или криогенные температуры.

В этой связи ведется поиск материалов и конструкций детекторов на их основе, позволяющих решить эти проблемы. Одним из таких решений, может быть, использование структур из тонкопленочных термоэлектрических материалов на основе висмута и/или его твердых растворов с сурьмой. Такие структуры можно создавать методом вакуумного термического напыления, что легче и доступнее. Материалы на основе висмута и сурьмы давно известны и применяются как низкотемпературные термоэлектрики, в устройствах термоэлектрического преобразования энергии. Однако, теплофизические процессы и термоэлектрические эффекты в тонкопленочных структурах на основе висмута и сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот сегодня не изучены.

Использование микроструктурированных наноразмерных пленок термоэлектрических материалов, может потенциально увеличить отклик на излучение. Но это вносит больше неопределенности в величину нагрева и градиента температуры в тонкой пленке и подложке. Наличие численной модели, описывающей поведение наноразмерных тонкопленочных структур под воздействием излучения терагерцового диапазона с учетом теплофизических

процессов и термоэлектрического эффекта, может облегчить этап конструирования детекторов излучения терагерцового диапазона частот.

Поэтому в данной диссертационной работе были изучены теплофизические процессы и термоэлектрические эффекты тонких пленок термоэлектрических материалов основе твердого раствора висмут-сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот. Было проведено экспериментальное исследование термоэлектрического эффекта в сплошных тонкопленочных образцах твердого раствора висмут-сурьмы с различной концентрацией сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование теплофизических процессов в двумерных наноматериалах на основе висмута и сурьмы при воздействии терагерцового излучения»

Цель работы

Изучение закономерностей теплофизических процессов в тонких пленках термоэлектрических материалов основе твердого раствора висмут-сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

Задачи работы

1) Изучение актуальной литературы по исследуемой теме.

2) Экспериментальное исследование теплофизических процессов в условиях воздействия излучения терагерцового диапазона частот в двумерных термоэлектрических наноматериалах на основе висмута и сурьмы.

3) Исследование влияния состава образцов тонких пленок твердого раствора висмут-сурьмы на термоэлектрический эффект в условиях воздействия излучения терагерцового диапазона частот и выбор оптимального состава.

4) Создание численной модели для изучения теплофизических процессов и термоэлектрического эффекта в образцах тонких пленок твердого раствора висмут-сурьмы с оптимальной концентрацией сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

5) Экспериментальное и численное исследование теплофизических процессов в структурированных тонких пленках твердого раствора висмут-сурьмы с

оптимальной концентрацией сурьмы с крестообразной микроструктурой под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

6) Экспериментальное и численное исследование теплофизических процессов в структурированных тонких пленках твердого раствора висмут-сурьмы с оптимальной концентрацией сурьмы со спиральной микроструктурой под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

Научная новизна работы

1) В экспериментальном исследовании термоэлектрического эффекта в сплошных тонких пленках твердого раствора висмут-сурьмы с различной концентрацией сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот было установлено, что твёрдый раствор висмут-сурьмы с концентрацией сурьмы 12 ат.% дает максимальный отклик на разогревающее электромагнитное излучение с частотой 0,14 ТГц и со значением отклика более 2 мВ/Вт.

2) Создана численная модель для изучения теплофизических процессов и термоэлектрического эффекта в сплошных тонких пленках твердого раствора висмут-сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

3) Показано, что двумерная термоэлектрическая структура на основе тонких пленок твёрдого раствора висмут-сурьмы с концентрацией сурьмы 12 ат.% и сурьмы имеет максимальное значение отклика более 2,3 мВ/Вт для электромагнитного излучения на частоте 0,5 ТГц и на расстоянии от источника излучения 0,3 мм. Для электромагнитного излучения на частоте 0,3 ТГц максимальный нагрев структуры составил 0,3 К.

4) Установлено, что в структурированной тонкой пленке твердого раствора висмут-сурьмы с концентрацией сурьмы 12 ат.% создание крестообразной микроструктуры увеличивает нагрев под воздействием излучения терагерцового диапазона с частотой 0,14 ТГц частот до 1,5 К, значение

отклика более 5 мВ/Вт и эквивалентной мощностью шума не более 95 нВт Гц-/

5) Впервые было показано, что структурирование тонкой пленки с формированием спиральной микроструктуры со смещением к одному из контактов на тонкой пленке увеличивает нагрев до 10 К, значение отклика более 90 мВ/Вт и эквивалентной мощностью шума не более 310 нВт Гц-/.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в установлении новых закономерностей и получении ранее неизвестных сведений о теплофизических процессах в структурах тонких пленок висмута и сурьмы и их взаимном влиянии с оптическими процессами при воздействии электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот.

Результаты исследования теплофизических процессов в структурах тонких пленок будут использованы в практике создания устройств для регистрации излучения терагерцового диапазона и развитии методов измерения теплофизических характеристик материалов оптическими методами.

Положения выносимые на защиту

1) Математическая модель, описывающая теплофизические процессы в тонкопленочных образцах твердого раствора висмут-сурьмы с оптимальной концентрацией сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

2) Результаты исследований теплофизических процессов в тонких пленках твердых растворов висмута и сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

3) Результаты исследований теплофизических процессов и термоэлектрического эффекта в структурированных тонких пленках твердого раствора висмут-сурьмы с концентрацией сурьмы 12 ат.% с

крестообразной микроструктурой под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

4) Результаты исследований теплофизических процессов и термоэлектрического эффекта в структурированных тонких пленках твердого раствора висмут-сурьмы с концентрацией сурьмы 12 ат.% со спиральной микроструктурой под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения»: Махачкала, ДГТУ, 2020.

2) Fourth International Conference on Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection, and Applications: Tomsk, TSU, 2020.

3) X Конгресс молодых ученых: Санкт-Петербург, ИТМО, 2021.

4) XXI Всероссийский школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества: Екатеринбург, ИФМ УрО РАН, 2021.

5) Virtual Conference on Thermoelectrics: 2021.

6) SPIE/COS Photonics Asia: 2022.

7) Научная и учебно-методическая конференция ИТМО: Санкт-Петербург, ИТМО, 2022.

8) XVIII Межгосударственная конференция «Термоэлектрики и их применения»: ФТИ им. А.Ф.Иоффе, Санкт-Петербург, 2023.

9) 5th International Conference «Terahertz and microwave radiation: generation, detection and applications»: MEPhI, Moscow, 2023.

Достоверность полученных достижений

Научные результаты работы являются достоверными, поскольку для их получения применялись современные методы и приборы, использовавшиеся в экспериментальных исследованиях. Математическая обработка опытных данных проводилась с помощью современных компьютерных программ.

Математические модели, представленные в исследовании, основаны на известных уравнениях теплопроводности. Верификация моделей была проведена с помощью сравнения результатов модели с полученными данными натурных экспериментов. Содержащиеся в работе научные положения и результаты научных исследований, выполненные автором по апробированным методикам, согласуются с результатами экспериментальных исследований других, признанных научным сообществом авторов.

Результаты работы неоднократно представлялись на профильных международных и всероссийских конференциях. Результаты работ прошли рецензирование в международных и отечественных журналах и были опубликованы в рецензируемых изданиях входящих в Перечень рецензируемых научных изданий ВАК и индексируемых в Scopus.

Внедрение результатов работы

Результаты, представленные в исследовании, были использованы при реализации проектов РНФ «Тонкопленочные структуры на основе висмута и сурьмы для терагерцовой фотоники» (№19-72-10141), и «Исследование теплопроводности тонкопленочных термоэлектриков оптическими методами» (№ 22-22-00597).

Результаты диссертации используются в учебном процессе в Университете ИТМО.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из реферата на русском и английском языках, введения, четырех глав, заключения, списка литературы, списка использованных сокращений

и обозначений. Работа изложена на 107 страницах, включающих в себя список литературы из 104 наименований, 80 рисунков, 8 таблиц.

Содержание работы

Введение

Описана актуальность и проблематика работы. Была сформирована цель и выдвинуты задачи исследования. Представлены методы решения цели работы и показана новизна исследования, теоретическая и практическая ценность работы.

Глава 1

Выполнен обзор литературы по теме приемников излучения терагерцового диапазона частот, в том числе работающие на основе теплофизических эффектов. Были рассмотрены два материала, которые имеют потенциал в применении в фототермоэлектрических приемниках излучения терагерцового диапазона частот. Это углеродные нанотрубки и наноразмерные пленки Bi-Sb. Теплофизические и электрофизические свойства данных материалов активно изучаются. Однако исследования оптических свойств в терагерцовом диапазоне частот, в частности 0,1 - 1 ТГц, наноразмерных пленок Bi-Sb начаты только в последнее время. Работ по изучению применения наноразмерных пленок Bi и Bi-Sb для обнаружения терагерцового излучения мало. Кроме этого, отсутствуют работы по исследованию теплофизических процессов в наноразмерных пленках Bi-Sb на подложке при воздействии излучения, что является одним из необходимым этапом создания фототермоэлектрического приемника излучения.

Глава 2

Приведено описание методов подготовки образцов и проведения исследования теплофизических процессов в наноразмерных пленках твердого раствора Bi-Sb под воздействием излучения терагерцового диапазона частот c различной концентрацией сурьмы.

В качестве образцов исследовались наноразмерные пленки твердого раствора Bi-Sb на слюдяной подложке толщиной около 20 мкм. Для получения этих пленок использовался метод термического испарения в вакууме. Давление в камере составляло 10-5 Торр. Температура нагрева исходного вещества составляет 250 °С, температура подложкодержателя - 120 °С во время осаждения вещества. Затем проводился отжиг при температуре 200 °С в течение 30 минут. Подогрев подложки позволяет получить поликристаллическую структуру Bi и Bi-Sb, при этом каждый кристалл растет по оси Сз перпендикулярно подложке.

Толщина наноразмерной пленки была измерена с помощью микроинтерферометра методом Линника.

Материалы, использованные для создания твердого раствора Bi-Sb (висмут и сурьма), имели химическую чистоту 99,99%. Химический состав и ориентация кристаллитов наноразмерных пленок Bi и Bi-Sb контролировался с помощью рентгенофлуоресцентного анализа. Изображение (карта высот) поверхности пленок получены методом атомно-силовой микроскопии.

С помощью лазерной абляции была сделано микроструктурирование наноразмерной пленки. Для формирования микроструктуры был использован лазерный гравировочный станок МиниМаркер 2 с иттербиевым волоконным импульсным лазером.

Оптические свойства образцов получены методом терагерцовой спектроскопией во временной области с методом Тикхама и приближением Друде на лабораторной установке и коммерческом спектрометре Menlo TERA K15, в диапазонах частот 0,1-1,2 ТГц и 0,1-2 ТГц, соответственно.

Источником излучения в эксперименте использовался лавинно-пролетный диод, рабочая частота - 0,14 ТГц, мощность излучения - 36,8 мВт.

Измерение разности потенциалов проводилось прямым методом с помощью мультиметров Fluke 8840A и Keithley DMM-7510. Параллельно с мультиметром была подключена электрическая цепь, состоящая из гальванического элемента на 1,5 В, прецизионного резистора номиналом 5 кОм и механического переключателя.

Для оценки разности температур на контактах образца использовалась дифференциальная термопар и прямым измерением сигнала с мультиметром МШ^у 2001.

Было проведено три эксперимента для исследования следующих эффектов в наноразмерных слоях твердого раствора висмут-сурьмы: фототермический эффект, фотоэлектрический эффект, фототермоэлектрический эффект.

В первом эксперименте исследовался нагрев контактов образца (градиент температур на образце) до и во время воздействия излучением терагерцового диапазона частот. Через образец не пропускался ток, градиентная печь была выключена, температура по всему образцу была одинаковой в исходном состоянии без излучения.

Во втором эксперименте исследовалась разность потенциалов, возникающая при пропускании через образец постоянный ток 1,5 мА и воздействии излучением.

В третьем эксперименте исследовалось влияние температурной неоднородности, при включении нагревателя, на температуру на контактах образца и на разность потенциалов до и во время воздействия излучением терагерцового диапазона частот. Исследование влияния излучения начиналось только после появления стационарного состояния при включённом нагревателе.

В эксперименте по исследованию теплофизических процессов и термоэлектрического эффекта в крестообразной микроструктуре наноразмерной пленки, были проведены три серии экспериментов:

1) Измерение разности потенциалов на образце со сплошной наноразмерной пленки и крестообразной микроструктурой Bi88Sbl2 под воздействием излучения терагерцового диапазона частот. В условиях данного эксперимента проводилось измерение распределения температуры на поверхности крестообразной микроструктуры.

2) Измерение разности потенциалов на образце наноразмерной пленки с крестообразной микроструктурой Bi88Sbl2 под воздействием излучения терагерцового диапазона частот, внешнего электрического тока и градиента температур;

3) Получение зависимости разности потенциалов на образце наноразмерной пленки с крестообразной микроструктурой Bi88Sbl2 от мощности воздействующего излучения при тех же условиях, что и во втором эксперименте.

В эксперименте по исследованию теплофизических процессов и термоэлектрического эффекта в спиральной микроструктуре наноразмерной пленки проводилось измерение разности потенциалов под воздействием излучения терагерцового диапазона частот и измерение распределения температуры на поверхности образца.

В первом эксперименте было обнаружено возникновение градиента температуры между контактами образца тонкой пленки с концентрацией сурьмы 12 ат.% при воздействии терагерцовым излучением (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Временная зависимость градиента температуры на образце Bi88Sb

12

По результатам второго эксперимента с включенным электрическим током на образце было получено, что разность потенциалов на образце, которая возникает при воздействии излучением терагерцового диапазона частот, пропорционально доли сурьмы в составе тонкой пленки в диапазоне от 3 ат.% до 12 ат.% (Рисунок 2 и 3).

(а)

(б)

Рисунок 2 - Временные зависимости разности потенциалов а - на образце Bi97Sbз, б - на образце Bi92Sb8

Рисунок 3 - Временная зависимость разности потенциалов на пленке Bi88Sbl2

В третьем эксперименте с включенным электрическим током и нагревателем возникает градиент температур и разность потенциалов, как было показано в предыдущих экспериментах (Рисунок 4). В случае образца тонкой пленки Bi88Sbl2 получено, что разность потенциалов на образце уменьшилось в сравнении со вторым экспериментом.

Рисунок 4 - Временная зависимость разности потенциалов пленке Bi88Sbl2 под воздействием терагерцового излучения, постоянного тока и внешнего градиента

температур

Из результатов экспериментов следует, при воздействии излучением терагерцового диапазона частот на наноразмерную пленку висмут-сурьмы возникает электродвижущая сила, что связано с появлением электронно-дырочных пар при взаимодействии исследуемого материала с излучением. Поэтому твердый раствор висмут-сурьмы можно рассматривать как материал с «ловушками» для электронов, в качестве которых являются атомы сурьмы. Для объяснения данных второго эксперимента было предложена теория полупроводников.

После проведения исследования гальваномагнитных и оптических (в терагерцовом диапазоне частот) свойств были рассчитаны физические значения, такие как: добавочная электропроводность при воздействии излучения и наличия «ловушек», показатель преломления и коэффициент поглощения для излучения на частоте 0,14 ТГц, время релаксации носителей заряда и увеличение концентрации носителей заряда при воздействии излучением (Таблица 1). Было получено, что увеличение концентрации носителей заряда пропорционально концентрации сурьмы в образцах в диапазоне от 3 ат.% до 12 ат.%. будут иметь самое большое значение отклика на терагерцовое излучение.

Таблица 1 - Оптические свойства для излучения на частоте 0,14 ТГц и электрофизические свойства пленок твердого раствора висмут-сурьма в зависимости от концентрации сурьмы

Величина Концентрация сурьмы

3 ат.% 8 ат.% 12 ат.%

, 106 Ом м 2,21 5,38 2,96

Ла$, 10-3^о 1,2 4,3 21,7

Ла%, 10-3о"о -2,7 2,9 23,6

^•ор 214 166 228

а, 104 см-1 2,76 2,5 2,38

пе5, 1024 м-3 1,8 1,7 2

, м2 В-1 с-1 4,1 2,4 3,2

, м2 В-1 с-1 0,8 0,27 0,18

^, фс 371 342 335

пр, 1024 м-3 13,8 28,6 52

Пр ^•еБ 7,67 16,81 26

Было показано, что самым чувствительным образцом к излучению на частоте 0,14 ТГц является Bi88Sbl2. Таким образом тонкие пленки долей сурьмы 12 ат.%

Глава 3

Описана численная модель для исследования теплофизических процессов в наноразмерной пленке термоэлектрического материала при воздействии излучения терагерцового диапазона частот. Представлены геометрические модели структур, в том числе крестообразная и спиральная микроструктура, материалы (Рисунок 57).

Рисунок 5 - Общий вид структуры термоэлектрического элемента

(а) (б)

Рисунок 6 -Геометрические модели крестообразной микроструктуры а - элементарная ячейка, б - полноразмерная

х^Х^у Г

Рисунок 7 - Общий вид спиральной микроструктуры

В математическую модель входит уравнение распространения электромагнитного поля, электромагнитный разогрев материала, уравнение теплового баланса, соотношение термоэлектрических коэффициентов и закон сохранения заряда. Заданы начальные и граничные условия. Для электромагнитного излучение заданы порты: Порт 1 - источник излучения с заданным распределением плотности мощности излучения и Порт 2 - приемник излучения. Кроме этого, задано условие рассеивания излучения. Для теплофизических процессов установлено условие конвекционного теплообмена. Для условия электрического тока задана электрическая изоляция и терминалы с плавающим потенциалом. Заданы физические свойства (теплофизические, электрофизические и оптические) используемых материалов.

Выполнено моделирование теплофизических процессов в паре тонких пленок термоэлектриков Sb и Bi88Sbl2 для оценки возможного нагрева горячего спая за счет электромагнитного нагрева при 0,3, 0,4 и 0,5 ТГц (Рисунок 8).

Температура (К)

293.451

293.45

293.4

293.35

293.3

293.25

293.2

293.15 293.15

Рисунок 8 - Распределение температуры на поверхности структуры под воздействием излучения на частоте 0,3 ТГц

Установлено, что в натурном эксперимент источник излучения должен быть расположен близко к тонкой пленке для получения максимального нагрева структуры (Рисунок 9 и 10). При этом, для достижения максимального возможного отклика структуры источник излучения должен быть на расстоянии половины длины волны излучения (Рисунок 11).

(а) (б)

Рисунок 9 - Зависимость нагрева горячего спая от расстояния h_port а - на частоте 0,3 ТГц, б - на частоте 0,4 ТГц

Рисунок 10 - Зависимость нагрева горячего спая от расстояния h_port от

излучения на частоте 0,5 ТГц

Рисунок 11 - Отклик образца на излучение в зависимости от расстояния между

портом и образцом

Глава 4

Представлены результаты исследования теплофизических процессов в микроструктурированной наноразмерной пленке Bi88Sbl2 с помощью численного

моделирования и эксперимента. Исследование проведено для образцов со сформированной крестообразной и спиральной микроструктурой (Рисунок 12).

(а) (б)

Рисунок 12 - Микрофотографии образцов а - крестообразная структура, б - спиральная структура

Было получено, что микроструктурирование тонкой пленки влияет на теплофизические и электрофизические процессы и оптические свойства (Рисунок 11). Так это позволяет увеличить коэффициент поглощения и градиент температуры при нагреве, что увеличивает термоэдс и разность потенциалов в структуре.

0,11 1 0,10 -0,09 -0,08 -

0,07 -0 06

0 05 -

0 04 -

0,03 -0,02 -

0,01 - , , , , I , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 1 ■ ■ 1

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Частота (ТГц)

Рисунок 11 - Частотная зависимость коэффициента пропускания крестообразной

структуры на подложке из слюды

В случае крестообразной микроструктуры увеличивается отклик тонкой пленки Bi88Sbl2 на излучение. Это наблюдается по увеличению разности потенциалов (Рисунок 12). При включении постоянного электрического тока на образце получено увеличение отклика на образце с крестообразной структурой (Рисунок 13).

Рисунок 12 - Зависимость разности потенциала на образце

Ю

.-1.25

м

03

О

-1.30

-1.35

Н -1.40

Н -1.45 о

3-1-50

-1.55

-( Сплошная пленка

—С микроструктурой -

^_ -ТГц

(V ¡г Выкл

«Л ТГи -

.......

<- Вю . . I

-3.40 т

-3.45 м

о

ц

03

-3.50 Я

я

<и

и

-3.55 о

с

л

н

-3.60 о

о

к

м

-3.65 дз с_

250 500 750 1000 1250 1500 1750

Время (с)

Рисунок 13 - Зависимость разности потенциала на образце при дополнительном воздействии постоянным электрическим током

Разность потенциалов на образце с крестообразной структурой имеет линейную зависимость от оптической мощности источника излучения (Рисунок

14).

Рисунок 14 - Зависимость разности потенциала на крестообразной микроструктуре от мощности излучения

Области нагрева в эксперименте на данной микроструктуре соответствует численному моделированию (Рисунок 15-18).

Рисунок 15 - Распределение температуры на поверхности крестообразной микроструктуры в результате численного моделирования

Рисунок 16 - Распределение температуры на поверхности крестообразной

микроструктуры в эксперименте

Координата X (мм)

Рисунок 17 - Распределение температуры на поверхности крестообразной

структуры вдоль оси X

Рисунок 18 - Зависимость максимальной температуры от времени

В случае спиральной микроструктуры получено значение поглощения излучения до 46% (Рисунок 19).

48 46 44

х Ф

о о

42 40 38 36 34 32 30 28

26 24 22 И 20

■■--■-—

130 132 134

Поглощение

Отражение

Пропускание

136

——■—— 138 140

—-■--■--■--

142 144 146 148 150

Частота (ГГц)

Рисунок 19 - Спектральные характеристики спирального резонатора

Нагрев структуры, следовательно, увеличился в несколько раз, чем в случае крестообразной микроструктуры (Рисунок 20 и 21). В то же время максимальная

температура локализовалась в центре одиночной спиральной структуры (Рисунок 15). Распределение и значение температуры на структуре согласуется с экспериментальными данными.

(а) (б)

Рисунок 20 - Нагрев структуры при воздействии излучением а - со стороны, б - со стороны подложки

(а) (б)

Рисунок 21 - Распределение температуры на образце со стороны подложки а - до воздействия, б -при воздействии излучением

Я

11 10 9

Рн 8

& 7

И

6

—А

—В эксперимент

/д - -А

/Л\ / / \ - -в модель

/ \\ --с

- * / //' \Ч ^ ]' \\ г/\ /7* - ч \ ] У-* '/// ' ' * - !' ....... / \\ » /X V / V- ДЛК \\ 1 У \ N \ »Л 1 1 1 1 1 1 1 1

012345678

(мм)

Координата

Рисунок 22 - Распределение нагрева поперек узлов

При проведении сравнения результатов моделирования термоэлектрического эффекта и измерения разности потенциалов на образце в эксперименте было получено, что в данной спиральной микроструктуре со смещенной областью поглотителя разность потенциалов есть термоэдс структуры (Рисунок 23 и 24). Модель полностью согласуется с результатами эксперимента в момент включения и в области стационарного состояния. Однако в эксперименте возникают процессы, которые не учитываются в численной модели.

(а)

(б)

Рисунок 23 - Распределение электрического потенциала а - на поверхности структуры; б - вдоль узлов

Рисунок 24 - Временная зависимость разности потенциала напряжения на блоках

от времени в момент включения излучения

При рассмотрении характеристики структур как приемников излучения были получены следующие результаты (Таблица 2). Микроструктурирование тонкой пленки увеличивает отклик структуры на излучение терагерцового диапазона частот. Крестообразная структура, кроме этого, уменьшает эквивалентную мощность шума. В то время как спиральная структура имеет самый большое значение отклика среди образцов, из-за высокого электрического сопротивления было получено увеличение эквивалентную мощность шума.

Таблица 2 - Характеристики структур как приемников излучения на частоте 0,14 ТГц

Характеристики Сплошная тонкая пленка Тонкая пленка с крестообразной микроструктурой Тонкая пленка со спиральной микроструктурой

1 2 3 4

и+ат [мкВ] 60 145 1100

Р [мВт] 28 28 12

Я [мВ Вт-1] 2,1 5,4 91

1 2 3 4

АТ [К] — 1,5 9,5

Яе1 [Ом] 8 15 48000

ЫЕР [нВт Гц-/] 168 95 310

Заключение

Проведен анализ литературных данных о материалах, конструкциях и технологиях, используемых при создании устройств фотоники.

Проведен комплекс исследований теплофизических процессов в термоэлектрических структурах на основе твердых растворов висмута и сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона. Исследованы фототермический, фотоэлектрический и фототермоэлектрический эффекты в тонких пленках висмута и сурьмы.

Исследовано влияние состава образцов сплошных пленок твердых растворов висмут-сурьма на термоэлектрический отклик при воздействии излучения терагерцового диапазона частот. Установлено, что наибольшее значение термоэдс наблюдается в образцах с концентрацией сурьмы 12 ат.%.

Создана численная модель для изучения теплофизических процессов и термоэлектрического эффекта в сплошных и структурированных тонкопленочных образцах твердого раствора висмут-сурьмы под воздействием излучения терагерцового диапазона частот.

Проведена верификация численной модели путем сравнения с результатами натурных исследований распределения температурных полей с использование тепловизора. Подтверждена корреляция результатов численных расчетов с результатами натурных экспериментов.

Исследовано влияние структурирования термоэлектрических пленок на термоэлектрический отклик структур под воздействием излучения. Подобраны геометрические параметры структур, позволяющие создавать их методом лазерной абляции и обеспечивающие увеличенный отклик по сравнению со сплошной пленкой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Демченко Пётр Сергеевич, 2024 год

Список литературы

1. Анатычук, Л. И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства / Л. И. Анатычук. - Наукова думка, 1979. - 768 с.

2. Goldsmid, H. J. Introduction to Thermoelectricity : Springer Series in Materials Science. Vol. 121 / H. J. Goldsmid. - Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2016.

3. Роза, А. да. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учебное пособие / А. да Роза. - Издательский дом «Интеллект», 2010. -704 с.

4. He, R. Thermoelectric Devices: A Review of Devices, Architectures, and Contact Optimization / R. He, G. Schierning, K. Nielsch // Advanced Materials Technologies. - 2018. - Vol. 3. - № 4. - P. 1700256.

5. Irshad, K. Thermoelectric Coupled Photovoltaic Modules / K. Irshad // The Effects of Dust and Heat on Photovoltaic Modules: Impacts and Solutions : Green Energy and Technology / eds. A. Al-Ahmed [et al.]. - Cham : Springer International Publishing, 2022. - P. 259-268.

6. THz Technology for Space Communications / I. Mehdi, J. Siles, C. P. Chen, J. M. Jornet // 2018 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC) 2018 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). - Kyoto : IEEE, 2018. - С. 76-78.

7. What Will the Future of UAV Cellular Communications Be? A Flight From 5G to 6G / G. Geraci, A. Garcia-Rodriguez, M. M. Azari [et al.] // IEEE Communications Surveys & Tutorials. - 2022. - Vol. 24. - What Will the Future of UAV Cellular Communications Be? - № 3. - P. 1304-1335.

8. First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole / The Event Horizon Telescope Collaboration, K. Akiyama, A. Alberdi [и др.] // The Astrophysical Journal Letters. - 2019. - Т. 875. - № 1. - С. L4.

9. Real time THz imaging—opportunities and challenges for skin cancer detection / H. Lindley-Hatcher, R. I. Stantchev, X. Chen [et al.] // Applied Physics Letters. - 2021. - Vol. 118. - № 23. - P. 230501.

10. A Review of Feasible Applications of THz Waves in Medical Diagnostics and Treatments / T. Amini, F. Jahangiri, Z. Ameri, M. A. Hemmatian // Journal of Lasers in Medical Sciences. - 2021. - Vol. 12. - № 1. - P. e92-e92.

11. A Comprehensive Review on Food Applications of Terahertz Spectroscopy and Imaging / L. Afsah-Hejri, P. Hajeb, P. Ara, R. J. Ehsani // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. - 2019. - Vol. 18. - № 5. - P. 1563-1621.

12. Terahertz spectroscopy and imaging: A review on agricultural applications / L. Afsah-Hejri, E. Akbari, A. Toudeshki [et al.] // Computers and Electronics in Agriculture. - 2020. - Vol. 177. - Terahertz spectroscopy and imaging. - P. 105628.

13. Toxic chemical compound detection by terahertz spectroscopy: a review / L. Yang, T. Guo, X. Zhang [et al.] // Reviews in Analytical Chemistry. - 2018. - Vol. 37. -№ 3.

14. Applications of Terahertz Spectroscopy in the Field of Construction and Building Materials / A. Abina, U. Puc, A. Jeglic, A. Zidansek // Applied Spectroscopy Reviews. - 2015. - Vol. 50. - № 4. - P. 279-303.

15. Nondestructive Evaluation of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites Using Reflective Terahertz Imaging / J. Zhang, W. Li, H.-L. Cui [et al.] // Sensors. -2016. - Vol. 16. - № 6. - P. 875.

16. Terahertz time-domain spectroscopy for non-invasive assessment of water content in biological samples / M. Borovkova, M. Khodzitsky, P. Demchenko [et al.] // Biomedical Optics Express. - 2018. - Vol. 9. - № 5. - P. 2266.

17. Terahertz absorption spectrum of para and ortho water vapors at different humidities at room temperature / X. Xin, H. Altan, A. Saint [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2006. - Vol. 100. - № 9. - P. 094905.

18. New Real-Time Sub-Terahertz Security Body Scanner / G. Tzydynzhapov, P. Gusikhin, V. Muravev [et al.] // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2020. - Vol. 41. - № 6. - P. 632-641.

19. Time Resolution and Dynamic Range of Field-Effect Transistor-Based Terahertz Detectors / P. Zagrajek, S. N. Danilov, J. Marczewski [et al.] // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2019. - Vol. 40. - № 7. - P. 703-719.

20. Multi-band radiation detector based on HgCdTe heterostructure / T. Kryshtab, R. K. Savkina, A. B. Smirnov [et al.] // Physica Status Solidi C. - 2016. -Vol. 13. - № 7-9. - P. 639-642.

21. Ultrabroadband electrically controllable terahertz modulation based on GaAs Schottky diode structure / X. Liu, H. Chen, S. Liang [et al.]. - Text : electronic // APL Photonics. - 2021. - Vol. 6. - № 11. - P. 111301. - URL: https://pubs.aip.org/app/article/6/11/111301/123474/Ultrabroadband-electrically-controllable-terahertz (date accessed: 19.01.2024).

22. Kotlyar, P. E. Infrared and Terahertz Radiation Detectors Based on Opto-Acoustic Converters (a Review) / P. E. Kotlyar // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2023. - Vol. 59. - № 4. - P. 470-492.

23. THz optical beat-note detection with a fast superconducting hot electron bolometer operating up to 31 GHz / G. Torrioli, A. Forrer, M. Beck [et al.] // Optics Express. - 2023. - Vol. 31. - № 10. - P. 15942.

24. Bottner, H. video: small size, high cooling power densities, short response time / H. Bottner // ICT 2005. 24th International Conference on Thermoelectrics, 2005. 2005 24th International Conference on Thermoelectrics (ICT). - Clemson, SC, USA : IEEE, 2005. - Micropelt miniaturized thermoelectric devices. - P. 1-8.

25. Lewis, R. A. A review of terahertz detectors / R. A. Lewis // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2019. - Vol. 52. - № 43. - P. 433001.

26. Enhancement of terahertz photoconductive antenna operation by optical nanoantennas / S. Lepeshov, A. Gorodetsky, A. Krasnok [et al.] // Laser & Photonics Reviews. - 2017. - Vol. 11. - № 1. - P. 1600199.

27. Fully Integrated THz Schottky Detectors Using Metallic Nanowires as Bridge Contacts / A. S. Hajo, S. Preu, L. Kochkurov [et al.] // IEEE Access. - 2021. -Vol. 9. - P. 144046-144053.

28. Wideband Modeling of CMOS Schottky Barrier Diode Detectors for THz Radiometry / S. V. Berkel, E. S. Malotaux, C. D. Martino [et al.] // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2021. - Vol. 11. - № 5. - P. 495-507.

29. Ikamas, K. Homodyne Spectroscopy with Broadband Terahertz Power

Detector Based on 90-nm Silicon CMOS Transistor / K. Ikamas, D. B. But, A. Lisauskas // Applied Sciences. - 2021. - Vol. 11. - № 1. - P. 412.

30. Graphene field effect transistors as room-temperature Terahertz detectors / L. Vicarelli, M. S. Vitiello, D. Coquillat [et al.] // Nature Materials. - 2012. - Vol. 11. -№ 10. - P. 865-871.

31. Antenna-Integrated 0.6 THz FET Direct Detectors Based on CVD Graphene / A. Zak, M. A. Andersson, M. Bauer [et al.] // Nano Letters. - 2014. - Vol. 14. - № 10.

- P. 5834-5838.

32. Carbon Nanotube Schottky Diodes Using Ti-Schottky and Pt-Ohmic Contacts for High Frequency Applications / H. M. Manohara, E. W. Wong, E. Schlecht [et al.] // Nano Letters. - 2005. - Vol. 5. - № 7. - P. 1469-1474.

33. Golay, M. J. E. A Pneumatic Infra-Red Detector / M. J. E. Golay // Review of Scientific Instruments. - 1947. - Vol. 18. - № 5. - P. 357-362.

34. Characterization of a Large-Area Pyroelectric Detector from 300 GHz to 30 THz / R. Müller, B. Gutschwager, J. Hollandt [et al.] // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2015. - Vol. 36. - № 7. - P. 654-661.

35. Microbolometer Terahertz Focal Plane Array and Camera with Improved Sensitivity in the Sub-Terahertz Region / N. Oda, S. Kurashina, M. Miyoshi [et al.] // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2015. - Vol. 36. - № 10. -P. 947-960.

36. Toward non-degraded broadband room temperature terahertz detection by graphene plasmon-enhanced photo-thermoelectric effect / S. Meng, L. Wang, H. Zhang [et al.] // Chinese Journal of Physics. - 2024. - P. S0577907324001424.

37. Sensitive room-temperature terahertz detection via the photothermoelectric effect in graphene / X. Cai, A. B. Sushkov, R. J. Suess [et al.] // Nature Nanotechnology.

- 2014. - Vol. 9. - № 10. - P. 814-819.

38. Sensitive Terahertz Detection and Imaging Driven by the Photothermoelectric Effect in Ultrashort-Channel Black Phosphorus Devices / W. Guo, Z. Dong, Y. Xu [et al.] // Advanced Science. - 2020. - Vol. 7. - № 5. - P. 1902699.

39. Large-Area, Flexible, and Dual-Source Co-Evaporated Cs 3 Cu 2 I 5

Nanolayer to Construct Ultra-Broadband Photothermoelectric Detector from Visible to Terahertz / Y. Gu, X. Yao, H. Geng [et al.] // ACS Applied Electronic Materials. - 2022.

- Vol. 4. - № 2. - P. 663-671.

40. Carbon nanotube-based, serially connected terahertz sensor with enhanced thermal and optical efficiencies / D. Suzuki, Y. Takida, Y. Kawano [et al.] // Science and Technology of Advanced Materials. - 2022. - Vol. 23. - № 1. - P. 424-433.

41. Ultrasensitive Room-Temperature Terahertz Direct Detection Based on a Bismuth Selenide Topological Insulator / W. Tang, A. Politano, C. Guo [et al.] // Advanced Functional Materials. - 2018. - Vol. 28. - № 31. - P. 1801786.

42. High performance uncooled THz sensing structures based on antenna-coupled air-bridges / A. Ihring, E. Kessler, U. Dillner [et al.] // Microelectronic Engineering. - 2012. - Vol. 98. - P. 512-515.

43. Uncooled antenna-coupled terahertz detectors with 22 л s response time based on BiSb/Sb thermocouples / A. K. Huhn, G. Spickermann, A. Ihring [et al.] // Applied Physics Letters. - 2013. - Vol. 102. - № 12. - P. 121102.

44. Li, K. Series Photothermoelectric Coupling Between Two Composite Materials for a Freely Attachable Broadband Imaging Sheet / K. Li, D. Suzuki, Y. Kawano // Advanced Photonics Research. - 2021. - Vol. 2. - № 3. - P. 2000095.

45. A Terahertz Video Camera Patch Sheet with an Adjustable Design based on Self-Aligned, 2D, Suspended Sensor Array Patterning / D. Suzuki, K. Li, K. Ishibashi, Y. Kawano // Advanced Functional Materials. - 2021. - Vol. 31. - № 14. - P. 2008931.

46. Дьячков, П. Н. Электронные свойства и применение нанотрубок : Нанотехнологии. Электронные свойства и применение нанотрубок / П. Н. Дьячков.

- Москва : БИНОМ. Л аборатория знаний, 2011. - 488 с.

47. Large n- and p-type thermoelectric power factors from doped semiconducting single-walled carbon nanotube thin films / B. A. MacLeod, N. J. Stanton, I. E. Gould [et al.] // Energy & Environmental Science. - 2017. - Vol. 10. - № 10. -P. 2168-2179.

48. Diameter dependence of thermoelectric power of semiconducting carbon nanotubes / N. T. Hung, A. R. T. Nugraha, E. H. Hasdeo [et al.] // Physical Review B. -

2015. - Vol. 92. - № 16. - P. 165426.

49. Electronic structure of chiral graphene tubules / R. Saito, M. Fujita, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus // Applied Physics Letters. - 1992. - Vol. 60. - № 18. -P. 2204-2206.

50. Baughman, R. H. Carbon Nanotubes--the Route Toward Applications / R. H. Baughman, A. A. Zakhidov, W. A. De Heer // Science. - 2002. - Vol. 297. - № 5582.

- P. 787-792.

51. Carbon Nanotube Terahertz Detector / X. He, N. Fujimura, J. M. Lloyd [et al.] // Nano Letters. - 2014. - Vol. 14. - № 7. - P. 3953-3958.

52. Simultaneous Dielectrophoretic Separation and Assembly of Single-Walled Carbon Nanotubes on Multigap Nanoelectrodes and Their Thermal Sensing Properties / Z. Chen, Z. Wu, L. Tong [et al.] // Analytical Chemistry. - 2006. - Vol. 78. - № 23. -P. 8069-8075.

53. Niyogi, S. Electrolyte Tuning of Surfactant Interfacial Behavior for Enhanced Density-Based Separations of Single-Walled Carbon Nanotubes / S. Niyogi, C. G. Densmore, S. K. Doorn // Journal of the American Chemical Society. - 2009. -Vol. 131. - № 3. - P. 1144-1153.

54. Dyke, C. A. Separation of Single-Walled Carbon Nanotubes on Silica Gel. Materials Morphology and Raman Excitation Wavelength Affect Data Interpretation / C. A. Dyke, M. P. Stewart, J. M. Tour // Journal of the American Chemical Society. - 2005.

- Vol. 127. - № 12. - P. 4497-4509.

55. Separation of Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes by Using a Long-Alkyl-Chain Benzenediazonium Compound / S. Toyoda, Y. Yamaguchi, M. Hiwatashi [et al.] // Chemistry - An Asian Journal. - 2007. - Vol. 2. - № 1. - P. 145-149.

56. Thermal Conductance of an Individual Single-Wall Carbon Nanotube above Room Temperature / E. Pop, D. Mann, Q. Wang [et al.] // Nano Letters. - 2006. - Vol. 6.

- № 1. - P. 96-100.

57. Lindsay, L. Diameter dependence of carbon nanotube thermal conductivity and extension to the graphene limit / L. Lindsay, D. A. Broido, N. Mingo // Physical Review B. - 2010. - Vol. 82. - № 16. - P. 161402.

58. Simple Salt-Coordinated n-Type Nanocarbon Materials Stable in Air / Y. Nonoguchi, M. Nakano, T. Murayama [et al.] // Advanced Functional Materials. - 2016.

- Vol. 26. - № 18. - P. 3021-3028.

59. Jain, A. L. Temperature Dependence of the Electrical Properties of Bismuth-Antimony Alloys / A. L. Jain // Physical Review. - 1959. - Vol. 114. - № 6. - P. 15181528.

60. Grabov, V. M. Galvanomagnetic properties of thin films of bismuth and bismuth-antimony alloys on substrates with different thermal expansions / V. M. Grabov, V. A. Komarov, N. S. Kablukova // Physics of the Solid State. - 2016. - Vol. 58. - № 3.

- P. 622-628.

61. Specific Features of the Quantum-Size Effect in Transport Phenomena in Bismuth-Thin Films on Mica Substrates / E. V. Demidov, V. M. Grabov, V. A. Komarov [et al.] // Semiconductors. - 2019. - Vol. 53. - № 6. - P. 727-731.

62. Грабов, В. М. Явления переноса в монокристаллах и пленках висмута / В. М. Грабов, В. А. Комаров,. - 2009. - № 2(25). - С. 50-52.

63. Термо-ЭДС тонких пленок висмута на слюде / В. А. Герега, В. М. Грабов, Е. В. Демидов [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2021. - № 5. - С. 63-67.

64. Гальваномагнитные свойства и термоэдс ультратонких пленок системы висмут--сурьма на подложке из слюды / В. А. Герега, А. В. Суслов, В. А. Комаров [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2022. - Т. 56. - № 1. - С. 42.

65. Volklein, F. Thermal Conductivity and Thermoelectric Figure of Merit of Bi 1-x Sb x Films With 0 < x ^ 0.3 / F. Volklein, E. Kessler // Physica Status Solidi (B). -1987. - Vol. 143. - № 1. - P. 121-130.

66. Volklein, F. A Method for the Measurement of Thermal Conductivity, Thermal Diffusivity, and Other Transport Coefficients of Thin Films / F. Volklein, E. Kessler // Physica Status Solidi (A). - 1984. - Vol. 81. - № 2. - P. 585-596.

67. Volklein, F. Analysis of the lattice thermal conductivity of thin films by means of a modified Mayadas-Shatzkes model: The case of bismuth films / F. Volklein, E. Kessler // Thin Solid Films. - 1986. - Vol. 142. - № 2. - P. 169-181.

68. Smith, G. E. Thermoelectric Properties of Bismuth-Antimony Alloys / G. E. Smith, R. Wolfe // Journal of Applied Physics. - 1962. - Vol. 33. - № 3. - P. 841-846.

69. Harman, T. C. Measurement of Thermal Conductivity by Utilization of the Peltier Effect / T. C. Harman, J. H. Cahn, M. J. Logan // Journal of Applied Physics. -1959. - Vol. 30. - № 9. - P. 1351-1359.

70. Грабов, В. М. Особенности спектров отражения легированных кристаллов висмут-сурьма в длинноволновой инфракрасной области спектра / В. М. Грабов, Н. П. Степанов // Физика и техника полупроводников. - 2001. - Т. 45. -№ 2. - С. 155-158.

71. Степанов, Н. П. Оптические свойства кристаллов висмут-сурьма, обусловленные электрон-плазмонным и плазмон-фононным взаимодействием / Н. П. Степанов, В. М. Грабов // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. - 2004. - Т. 4. - № 8. - С. 52-64.

72. Грабов, В. М. Температурная зависимость спектров плазменного отражения кристаллов висмут-сурьма / В. М. Грабов, Н. П. Степанов // Физика и техника полупроводников. - 2001. - Т. 35. - № 6. - С. 734-738.

73. Optical and Galvanomagnetic Properties of Bi1-xSbx Thin Films in the Terahertz Frequency Range / A. D. Zaitsev, P. S. Demchenko, D. V. Zykov [et al.]. -Text: electronic // Applied Sciences. - 2020. - Vol. 10. - № 8. - P. 2724. - URL: https://www.mdpi.com/2076-3417/10/8/2724 (date accessed: 11.01.2024).

74. Hyperbolic Bismuth-Dielectric Structure for Terahertz Photonics / A. Zaitsev, P. Demchenko, E. Makarova [et al.] // physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. - 2020. - Vol. 14. - № 7. - P. 2000093.

75. Experimental investigation of optically controlled topological transition in bismuth-mica structure / A. Zaitsev, D. Zykov, P. Demchenko [et al.] // Scientific Reports. - 2021. - Vol. 11. - № 1. - P. 13653.

76. Frequency-Selective Surface Based on Negative-Group-Delay Bismuth-Mica Medium / A. D. Zaitsev, P. S. Demchenko, N. S. Kablukova [et al.] // Photonics. -2023. - Vol. 10. - № 5. - P. 501.

77. Broadband electrically controlled bismuth nanofilm THz modulator / Q.

Song, H. Chen, M. Zhang [et al.] // APL Photonics. - 2021. - Vol. 6. - № 5. - P. 056103.

78. Reduction-Controlled Viologen in Bisolvent as an Environmentally Stable n-Type Dopant for Carbon Nanotubes / S. M. Kim, J. H. Jang, K. K. Kim [et al.] // Journal of the American Chemical Society. - 2009. - Vol. 131. - № 1. - P. 327-331.

79. Photothermoelectric p-n Junction Photodetector with Intrinsic Broadband Polarimetry Based on Macroscopic Carbon Nanotube Films / X. He, X. Wang, S. Nanot [et al.] // ACS Nano. - 2013. - Vol. 7. - № 8. - P. 7271-7277.

80. Suzuki, D. Thermal Device Design for a Carbon Nanotube Terahertz Camera / D. Suzuki, Y. Ochiai, Y. Kawano // ACS Omega. - 2018. - Vol. 3. - № 3. -P. 3540-3547.

81. Suzuki, D. A flexible and wearable terahertz scanner / D. Suzuki, S. Oda, Y. Kawano // Nature Photonics. - 2016. - Vol. 10. - № 12. - P. 809-813.

82. Rutledge, D. Planar multimode detector arrays for infrared and millimeter-wave applications / D. Rutledge, S. Schwarz // IEEE Journal of Quantum Electronics. -1981. - Vol. 17. - № 3. - P. 407-414.

83. A terahertz photo-thermoelectric detector based on metamaterial absorber / J. Bai, Z. Pang, P. Shen [et al.] // Optics Communications. - 2021. - Vol. 497. -P.127184.

84. Особенности структуры пленок висмута, полученных методом термического испарения в вакууме / В. М. Грабов, Е. В. Демидов, В. А. Комаров, [и др.] // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена. - 2009. - № 95. - С. 105-119.

85. Nanoscale films of bismuth and antimony: production technologies and properties / E. S. Makarova, A. S. Tukmakova, A. V. Novotelnova, N. S. Kablukova // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1400. - № 5. - P. 055048.

86. Planken, P. C. M. Measurement and calculation of the orientation dependence of terahertz pulse detection in ZnTe / P. C. M. Planken, H.-K. Nienhuys, H. J. Bakker.

87. Tinkham, M. Energy Gap Interpretation of Experiments on Infrared Transmission through Superconducting Films / M. Tinkham // Physical Review. - 1956.

- Vol. 104. - № 3. - P. 845-846.

88. Novotny, L. Principles of Nano-Optics / L. Novotny, B. Hecht. - 2. -Cambridge University Press, 2012.

89. Terahertz metrology / ed. M. Naftaly. - Boston, Mass. : Artech House, 2015.

- 359 p.

90. The Band-Structure Parameters of Bi1 -xSbx (0 < x < 0.15) Thin Films on Substrates with Different Thermal-Expansion Coefficients / A. V. Suslov, V. M. Grabov, V. A. Komarov [et al.] // Semiconductors. - 2019. - Vol. 53. - № 5. - P. 611-614.

91. Sahu, M. K. Semiconductor Nanoparticles Theory and Applications / M. K. Sahu. - 2019. - Vol. 14. - № 2.

92. Topological Insulator State in Thin Bismuth Films Subjected to Plane Tensile Strain / E. V. Demidov, V. M. Grabov, V. A. Komarov [et al.] // Physics of the Solid State. - 2018. - Vol. 60. - № 3. - P. 457-460.

93. Thermoelectric transport properties of n -doped andp -doped Bi0.91Sb0.09 alloy thin films / S. Cho, A. DiVenere, G. K. Wong [et al.] // Journal of Applied Physics.

- 1999. - Vol. 85. - № 7. - P. 3655-3660.

94. Suslov, A. V. Galvanomagnetic properties of Bi85Sb15 thin films on glass and glass-ceramic substrates / A. V. Suslov, V. A. Komarov, M. V. Suslov // 8th International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics. - 2016. -MSCMP 2016.

95. Resonant metal-mesh bandpass filters for the far infrared / D. W. Porterfield, J. L. Hesler, R. Densing [et al.] // Applied Optics. - 1994. - Vol. 33. - № 25. - P. 6046.

96. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Часть 3: Собственная и геометрическая классификация лазерных пучков, специфика их распространения и методики измерений.: ГОСТ Р ИСО /ТО 11146-3-2008. - 2010.

97. Thermoelectric properties of polycrystalline bi1-x sb x solid solutions in the concentration range x = 0 - 0.25 / A. N. Doroshenko, E. I. Rogacheva, А. А. Drozdova [и др.]. - 2016. - № 4. - С. 27-28.

98. Advanced platform for the in-plane ZT measurement of thin films / V.

Linseis, F. Völklein, H. Reith [et al.] // Review of Scientific Instruments. - 2018. -Vol. 89. - № 1. - P. 015110.

99. Gallo, C. F. Transport Properties of Bismuth Single Crystals / C. F. Gallo, B. S. Chandrasekhar, P. H. Sutter // Journal of Applied Physics. - 1963. - Vol. 34. - №2 1.

- P. 144-152.

100. The Thermoelectric Power of Bi1 -xSbx Films (0 < x < 0.15) on Mica and Polyimide Substrates in the Temperature Range of 77-300 K / M. V. Suslov, V. M. Grabov, V. A. Komarov [et al.] // Semiconductors. - 2019. - Vol. 53. - № 5. - P. 589592.

101. Maier, S. A. Plasmonics: fundamentals and applications. Plasmonics / S. A. Maier. - New York : Springer, 2007. - 66-87 p.

102. Hilsum, C. Infrared Absorption of Thin Metal Films / C. Hilsum // Journal of the Optical Society of America. - 1954. - T. 44. - № 3. - C. 188-191.

103. Gockenbach, M. Newton's law of heating and the heat equation / M. Gockenbach, K. Schmidtke. - 2009. - Vol. 2. - P. 419-437.

104. Terahertz detector based on Bi1-xSbx/Cu thermoelectric branches / A. D. Zaitsev, P. S. Demchenko, A. S. Tukmakova [h gp.] // Optics Communications. - 2024.

- T. 555. - C. 130216.

Список иллюстративного материала

Рисунок 1 - Хиральность одностенных УНТ............................................................79

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента Зеебека от диаметра углеродных

нанотрубок [48].....................................................................................................80

Рисунок 3 - Коэффициент теплопроводности одиночной одностенной УНТ.......81

Рисунок 4 - Изображение кристаллической структуры висмута............................82

Рисунок 5 - Зависимость удельного сопротивления pel и коэффициента Холла RHall тонкой пленки висмута на слюде от толщины пленки d при

температуре 77 К..................................................................................................84

Рисунок 6 - Температурная зависимость коэффициентов теплопроводности в

плоскости наноразмерных пленок Bi93Sb7 и Bi87Sb13 [65].................................85

Рисунок 7 - Температурная зависимость термоэлектрической добротности в

плоскости наноразмерных пленок Bi, Bi93Sb7 и Bi87Sb13 [65]...........................87

Рисунок 8 - Влияние Sb на зонную структуру Bi-Sb................................................88

Рисунок 9 - Зависимость термоэлектрической добротности Bi-Sb от концентрации

Sb вдоль оси Сз [68]..............................................................................................89

Рисунок 10 - Температурная зависимость коэффициента Зеебека объемных

образцов Bi-Sb [68]...............................................................................................89

Рисунок 11 - Микрофотография образца [51]...........................................................92

Рисунок 12 - Значение термоэдс на образце..............................................................92

Рисунок 13 - Схематические изображения исследуемых структур [80].................94

Рисунок 14 - Сигнал приемников при сканировании излучения [80].....................94

Рисунок 15 - Схематические изображения исследуемых структур [80].................96

Рисунок 16 - Микрофотографии элементов массива изготовленных образцов.....97

Рисунок 17 - Схематическое изображение массива приемников [82]....................98

Рисунок 18 - Экспериментальные данные измерений [82]......................................99

Рисунок 19 - Микрофотография образца [17].........................................................100

Рисунок 20 - Зависимость сигнала на образце от частоты модуляции излучения [17]........................................................................................................................101

Рисунок 21 - Схематическое изображение установки по термическому

напылению...........................................................................................................105

Рисунок 22 - Поверхность наноразмерной пленки [84].........................................105

Рисунок 23 - Микроинтерферометрия методом Линника.....................................107

Рисунок 24 - Рентгеноструктурный анализ образцов пленок толщиной 200 нм . 108 Рисунок 25 - Рентгеноструктурный анализ образцов пленок толщиной 150 нм . 108

Рисунок 26 - Атомно-силовая микроскопия образцов...........................................109

Рисунок 27 - Схема лабораторного терагерцового спектрометра во временной

области.................................................................................................................110

Рисунок 28 - Схема коммерческого терагерцового спектрометра во временной

области.................................................................................................................111

Рисунок 29 - Фотография экспериментальной установки.....................................113

Рисунок 30 - Схематичное изображение экспериментальной установки.............113

Рисунок 31 - Образец со спиральной структурой в держателе.............................115

Рисунок 32 - Временная зависимость градиента температуры на образце Bi88Sbl2

..............................................................................................................................118

Рисунок 33 - Временные зависимости разности потенциалов..............................120

Рисунок 34 - Временная зависимость разности потенциалов на пленке Bi88Sbl2 под воздействием постоянного тока и излучения терагерцового диапазона

частот...................................................................................................................120

Рисунок 35 - Временная зависимость разности потенциалов пленке Bi88Sbl2 под воздействием излучения на частоте 0,14 ТГц, постоянного тока и внешнего

градиента температур.........................................................................................121

Рисунок 36 - Спектральная зависимость показателя преломления и коэффициента

поглощения для исследуемых образцов твердых растворов В^Ь...............122

Рисунок 37 - Типичная кривая увеличения и уменьшения фотопроводимости для

кристалла с ловушками носителей заряда........................................................123

Рисунок 38 - Общий вид структуры термоэлектрического элемента...................128

Рисунок 39 - Схематичное изображение материалов в плоскости 2Х (Таблица 2) ..............................................................................................................................128

Рисунок 40 - Элементарная ячейка крестообразной микроструктуры.................129

Рисунок 41 - Общий вид образца с крестообразной микроструктурой................130

Рисунок 42 - Схематическое изображение спиральной микроструктуры............131

Рисунок 43 - Общий вид спиральной микроструктуры.........................................132

Рисунок 44 - Оптические свойства наноразмерных пленок Sb и Bi88Sb12 на

подложке слюды.................................................................................................139

Рисунок 45 - Оптические свойства подложки слюды............................................139

Рисунок 46 - Распределение нагрева вдоль оси Х. Горячий контакт соответствует

x-координате 500 мкм.........................................................................................141

Рисунок 47 - Зависимость коэффициента пропускания от расстояния между

источником излучения и структурой................................................................142

Рисунок 48 - Зависимость нагрева горячего спая от расстояния h_port...............143

Рисунок 49 - Зависимость нагрева горячего спая от расстояния h_port от

излучения на частоте 0,5 ТГц............................................................................144

Рисунок 50 - Распределение температуры на поверхности структуры под

воздействием излучения на частоте 0,3 ТГц....................................................144

Рисунок 51 - Отклик образца на излучение в зависимости от расстояния между

портом и образцом..............................................................................................145

Рисунок 52 - Спектральная зависимость коэффициента отражения

крестообразной ячейки.......................................................................................148

Рисунок 53 - Спектральная зависимость коэффициента отражения

крестообразной ячейки при изменении периода Per......................................148

Рисунок 54 - Спектральные зависимости коэффициента отражения для

различного излучения на частотах....................................................................149

Рисунок 55 - Временная зависимость нагрева с различным шагом по времени . 150

Рисунок 56 - Зависимость температуры от 3D и 2D описания..............................151

Рисунок 57 - Временная зависимость максимальной температуры модели........152

Рисунок 58 - Распределение температуры в элементарной ячейке крестообразной микроструктуры..................................................................................................153

Рисунок 59 - Зависимость максимальной температуры модели от коэффициента

теплопроводности подложки.............................................................................154

Рисунок 60 - Фото экспериментального образца с крестообразной

микроструктурой................................................................................................156

Рисунок 61 - Микрофотография крестообразной структуры образца..................157

Рисунок 62 - Частотная зависимость коэффициента пропускания крестообразной

структуры на подложке из слюды.....................................................................158

Рисунок 63 -Влияние структуры пленки на величину разности потенциалов при

воздействии ТГц излучения...............................................................................158

Рисунок 64 - Зависимость разности потенциала на образце при включенном

постоянном электрическом токе.......................................................................159

Рисунок 65 - Зависимость разности потенциала на крестообразной

микроструктуре от мощности излучения.........................................................159

Рисунок 66 - Распределение температуры на поверхности крестообразной

микроструктуры в результате численного моделирования............................161

Рисунок 67 - Распределение температуры на поверхности крестообразной

микроструктуры в эксперименте.......................................................................161

Рисунок 68 - Распределение температуры на поверхности крестообразной

структуры вдоль оси X.......................................................................................162

Рисунок 69 - Зависимость максимальной температуры от времени.....................162

Рисунок 70 - Спектральные характеристики спирального резонатора.................163

Рисунок 71 - Распределение плотности тока в спиральной микроструктуре......164

Рисунок 72 - Нагрев структуры при воздействии излучением..............................164

Рисунок 73 - Нагрев спиральной микроструктуры со стороны структуры..........165

Рисунок 74 - Микрофотография образца со спиральной микроструктурой........165

Рисунок 75 - Распределение температуры на образце со стороны подложки.....166

Рисунок 76 - Распределение нагрева поперек узлов...............................................167

Рисунок 77 - Распределение электрического потенциала......................................168

Рисунок 78 - Временная зависимость разности потенциала напряжения на блоках в момент включения излучения........................................................................169

Рисунок 79 - Распределение нагрева в улучшенной микроструктуре..................171

Рисунок 80 - Распределение электрического потенциала в улучшенной

микроструктуре...................................................................................................171

Приложение А (справочное) Текст патента

российская федерация

(19)

ки

(11)

2 808 З94( 3 С1

(51) МПК НЮИ10/00 (2023.01) НОИ 31/113 (2006.01) НОИ 31/18 (2006.01)

федеральная служба по интеллектуальной собственности

(•2) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(52) СПК

Н10М10/00 (2023.08); Н01Ь 31/113 (2023.08); Н01Ь 31/18 (2023.08)

О

<т> со 00 о 00 Сч|

(21)(22) Заявка: 2023119471, 24.07.2023

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 24.07.2023

Дата регистрации: 28.11.2023

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 24.07.2023

(45) Опубликовано: 28.11.2023 Бюл. № 34

Адрес для переписки:

121205, Москва, ул. Луговая, 4, корп. 2, ООО "ЦИС "Сколково", Котлов Дмитрий Владимирович

(72) Автор(ы):

Ходзицкий Михаил Константинович (1Ш), Зайцев Антон Денисович (1Ш), Демченко Пётр Сергеевич (1Ш), Каблукова Наталья Сергеевна (1Ш)

(73) Патентообладатель(и):

Общество с ограниченной ответственностью "Терагерцовая фотоника" (1Ш)

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1Ш 2678710 С1, 31.01.2019.1Ш 2539771 С1,27.01.2015. WO 2009147085 А1, 10.12.2009. КЯ 1020150004147 А 12.01.2015. ив 4052269 А1, 04.10.1977. СМ 104916732 А, 16.09.2015.

(54) ДЕТЕКТОР ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР ВИСМУТА И СУРЬМЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области оптической техники, а именно к детекторам терагерцевого (ТГц) излучения, и может быть использовано для широкополосного детектирования импульсного или непрерывного ТГц излучения или измерения его мощности. Сущность: в структуре детектора используется термоэлектрический материал с высокой чувствительностью к излучению ТГц диапазона частот, при этом в качестве чувствительного термоэлектрического элемента предлагается использовать термоэлектрические

73 С

ГО 00 о 00 со ш

о

ветви из тонкой пленки твердого раствора висмут-сурьма В11 _х3Ьх. Технический результат заключается в обеспечении возможности высокочувствительного детектирования

непрерывного и импульсного ТГц излучения мощностью до 500 мВт при температуре от - 10°С до +50°С в диапазоне частот 0,1 + 10 ТГц с чувствительностью не менее 30 мВ/Вт, эквивалентной мощностью шума не хуже 0,15

нВт-Гц'"2, временем отклика не более 20 мкс, частотой модуляции 1+40 Гц. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

э £

го оо о 00 со to •и

О

т* О)

со 00 о оо

CN

Э СС.

О

D

RUSSIAN FEDERATION

FEDERAL SERVICE FOR INTELLECTUAL PROPERTY

(12) ABSTRACT OF INVENTION

(19)

RU

do

2 808 394(13) C1

(51) Int. CI. HION 10/00 (2023.01) H01L 31/113 (2006.01) HOIL 31/18 (2006.01)

152) CPC

H ION 10/00 (2023.08): H01L 31/113 (2023.08): H01L 31/18 (2023.08)

o

«t CD

co 00 o oo <N

(21)(22) Application: 2023119471, 24.07.2023 (72) Inventor(s):

(24) Effective date for property rights: 24.07.2023 Khodzitskij Mikhail Konstantinovich (RU), Zajtsev Anton Denisovich (RU), Demchenko Petr Sergeevich (RU),

Registration date: Kablukova Natalya Sergeevna (RU)

28.11.2023 (73) Proprietor(s):

Priority: Obshchestvo s ogranichennoj otvetstvennostyu

(22) Date of filing: 24.07.2023 "Teragertsovaya fotonika" (RU)

(45) Date of publication: 28.11.2023 Bull. №34

Mail address:

121205, Moskva, ul. Lugovaya, 4, korp. 2, OOO

"TSIS "Skolkovo", Kotlov Dmitrij Vladimirovich

(54) TERAHERTS RADIATION DETECTOR BASED ON THIN-FILM THERMOELECTRIC STRUCTURES OF BISMUTH AND ANTIMONY

(57) Abstract:

FIELD: optical engineering. SUBSTANCE: terahertz (THz) radiation detectors, can be used for broadband detection of pulsed or continuous THz radiation or measurement of its power. The structure of the detector uses a thermoelectric material with high sensitivity to radiation in the THz frequency range, and it is proposed to use thermoelectric branches made of a thin film of the bismuth-antimony

Bi|_xSbx solid solution as a sensitive thermoelectric

element.

EFFECT: providing the possibility of highly sensitive detection of continuous and pulsed THz radiation with a power of up to 500 mW at temperatures from -10°C to +50°C in frequency range 0.1-M0 THz with a sensitivity of at least 30 mV/W, equivalent noise

power of at least 0.15 nW-Hz""2, response time no more than 20 ¡is, modulation frequency 1+40 Hz. 9 cl, 3 dwg

7J C

ro oo o oo co to •u

O

Crp.: 3

го оо о 00 со to •и

О

т* О)

со 00 о оо

CN

Э û£

О

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области оптической техники, а именно к детекторам терагерцевого (ТГц) излучения (с частотой 0,1-гЮ ТГц или длиной волны ЗОч-ЗООО мкм), и может быть использовано для широкополосного детектирования импульсного или 5 непрерывного ТГц излучения или измерения его мощности.

Предшествующий уровень техники

Развитие многих сфер ТГц фотоники, таких как беспроводные коммуникации, системы визуализации, бесконтактной диагностики и контроля качества в медицине, фармацевтике, пищевой промышленности и системах безопасности, требует реализации ю устройств детектирования ТГц излучения, которые работали бы при комнатной температуре, в широкополосном режиме, обеспечивали бы детектирование как непрерывного, так и импульсного ТГц излучения.

Одним из способов эффективного решения данной проблемы является применение детекторов на основе термоэлектрических материалов с высокой чувствительностью /5 к ТГц излучению в широком диапазоне частот. Такие детекторы имеют простую структуру и могут работать при комнатной температуре [Bai J. et al. A terahertz photo-thermoelectric detector based on metamaterial absorber / Optics Communications. - 2021. - T. 497. -C. 127184].

Среди патентной литературы известны детекторы на основе полевых транзисторов. 20 каналом которых является сетка углеродных нанотрубок, а в качестве основного механизма детектирования рассматривается широкополосное возбуждение затухающих плазменных волн, при этом в наблюдаемый отклик вносят вклад термоэлектрический и диодный эффекты [RU 194869, RU 186169]. Заявленный рабочий диапазон частот таких детекторов составляет 0,1ч-2 ТГц, рабочий диапазон температур 4,2ч-300 К, 25 чувствительность не хуже 30 В/Вт на частоте 0,129 ТГц, эквивалентная мощность шума -1/2

не хуже 1 нВт-Гц" . Таким образом, такие детекторы могут работать в широкополосном режиме, но в низкочастотной области ТГц диапазона.

Также известен термоэлектрический детектор излучения ТГц диапазона частот на базе антенны и полевого транзистора с каналом из тонких пленок черного фосфора, м легированного селеном [Viti L. et al. Thermoelectric terahertz photodetectors based on selenium-doped black phosphorus flakes//Nanoscale. - 2019. - T. 11. - №4. - C. 1995-2002]. Возможность детектирования с его использованием продемонстрирована на частоте 3,4 ТГц при комнатной температуре, чувствительность составляет 3 В/Вт, эквивалентная мощность 1 п

^ шума 7 нВт-Гц . Оптимальная толщина чувствительного элемента составляет 30ч-40 нм.

Известен тип термоэлектрических детекторов ТГц излучения на основе асимметричной антенны и полевого транзистора с каналом из нанонити с последовательно расположенными квантовыми точками InAs/InAso^Po7, обладающими 40 различной шириной запрещенной зоны [Asgari М. et al. Quantum-Dot Single-Electron Transistors as Thermoelectric Quantum Detectors at Terahertz Frequencies // Nano Letters. -2021. - T. 21. -№20. -C. 8587-8594]. В указанной работе геометрия антенны и параметры детектора подстроены для детектирования излучения частотой 0,6 ТГц. которое возможно лишь при сверхнизких температурах и было исследовано при температуре 45 4,2 К. Такой детектор обладает чувствительностью 55 мкА/Вт, эквивалентной

-1/2

мощностью шума 8 пВт-Гц , временем отклика 1-г10 не, но сложен в изготовлении и не может функционировать при комнатной температуре, а работает лишь в узком диапазоне частот.

В работе [Szakmany G. R et al. THz wave detection by antenna-coupled nanoscale thermoelectric converters // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2017. -T. 7. - №.5. - C. 582-585] представлен термоэлектрический ТГц детектор на базе золотой дипольной антенны с узкой центральной частью, нагрев которой ТГц излучением s приводит к появлению напряжения на нанотермопарах, расположенных вплотную к центру антенны, при этом увеличение количества последовательно соединенных нанотермопар приводит к увеличению чувствительности такого детектора. Представленный в указанной работе детектор рассчитан на узкополосное детектирование на частоте 0,6 ТГц при комнатной температуре и характеризуется lo высокой поляризационной чувствительностью.

Работа [Shabanov A. et al. Optimal asymmetry of transistor-based terahertz detectors// Applied Physics Letters. - 2021. - Т. 119. - №.16. - C. 163505] посвящена оптимизации чувствительности ТГц детекторов на основе графеновых асимметричных полевых транзисторов с использованием термоэлектрического эффекта, но лишь на частоте /5 0.13 ТГц, соответствующей геометрии связанной антенны. Возможность детектирования в указанной работе представлена при температурах 77 и 300 К, а чувствительность в обоих случаях достигает 9 В/Вт.

Авторами патента [US 10969335] заявлена возможность детектирования ТГц излучения с использованием термоэлектрического эффекта в качестве основного 20 механизма детектирования: в структуре детектора к сетке углеродных нанотрубок с двух противоположных сторон подсоединяются электроды с различной теплопроводностью. Хотя упомянута теоретическая возможность поглощения углеродными нанотрубками излучения от сверхнизких до ультрафиолетовых частот, в указанном патенте показана возможность детектирования на фиксированных частотах: 25 0,14 ТГц, 1,4 ТГц. 14 ТГц, 29 ТГц. 30 ТГц, заявлена эквивалентная мощность шума не

хуже 700 пВт- Гц"1/2.

В работе [Не X. et al. Carbon nanotube terahertz detector//Nano letters. - 2014. - T. 14. -№.7. - C. 3953-3958] представлен похожий термоэлектрический ТГц детектор на основе контакта легированных высокоориентированных длинных углеродных нанотрубок п-30 и р-типа, расположенных параллельно друг другу и соединенных с золотыми электродами. Возможность детектирования продемонстрирована при комнатной температуре для фиксированных частот 1,39 ТГц, 2.52 ТГц и 3,11 ТГц, чувствительность

in

составляет 2,5 В/Вт, эквивалентная мощность шума не хуже 20 нВт- Гц" , однако следует 7f отметить повышенную сложность изготовления такого детектора. Коэффициент Зеебека составляет 71ч-75 мкВ/К.

В работе [Ahmad Н., Suzuki D., Kawano Y. Strain-induced photo-thermoelectric terahertz detection//AIP Advances. - 2018. -T. 8. -№11. - С. 115002] представлен термоэлектрический детектор на базе деформированной полоски из углеродных нанотрубок, соединенной 40 с золотыми электродами, при этом увеличение коэффициента Зеебека до 161 мкВ/К по сравнению с аналогичной плоской структурой (36 мкВ/К) связывается с величиной деформации полоски, приводящей к переходу состояния нанотрубок от металлического к полупроводниковому. Измерения в данной работе проводились лишь на фиксированных частотах 1,4 ТГц и 29 ТГц при комнатной температуре. Толщина слоя 45 углеродных нанотрубок составляет 40ч-150 мкм.

Кроме того, известен тип детекторов на основе графена [US 10084102] [Cai X. et al. Sensitive room-temperature terahertz detection via the photothermoelectric effect in graphene // Nature nanotechnology. - 2014. - T. 9. - №10. - C. 814-819], где в качестве основного механизма детектирования рассматривается фототермоэлектрический эффект.

усиливаемый за счет возбуждения ТГц излучением плазменных волн в микрополосках графена. Однако, такое детектирование осуществляется лишь в узком диапазоне частот для квазимонохроматического ТГц излучения, поскольку плазменная частота в микрополосках графена согласовывается с частотой падающего ТГц излучения за счет s варьирования ширины таких полосок и за счет контроля плотности носителей заряда путем воздействия постоянным электрическим полем. Кроме того, необходима четкая пространственная ориентация детектора относительно поляризации падающих на него ТГц волн для обеспечения возможности возбуждения плазмонного резонанса. Данный детектор работает при комнатной температуре и характеризуется эквивалентной

мощностью шума 1,1 нВт-Гц_|/2 и чувствительностью свыше 10 В/Вт (по отношению к поглощенной мощности) при частоте детектируемого излучения 2.52 ТГц. имеет время отклика 110 пс. В указанной работе упомянута возможность широкополосного (интегрального) детектирования в диапазоне частот 0ч-2 ТГц, но не представлена зависимость чувствительности от частоты ТГц излучения.

Известен похожий тип ТГц термоэлектрических детекторов [CN 107482109 А] на основе одиночной асимметричной графеновой диполыюй антенны с резонансной полосой частот 1ч-3 ТГц, соединенной с омическими контактами из материалов с различной теплопроводностью (Au, Ti). Аналогичный детектор представлен в работе ^ [Tielrooij К. J. et al. Highly sensitive, ultrafast photo-thermoelectric graphene thz detector //2018 43rd International Conference on Infrared. Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). -IEEE. 2018. - C. 1-3]. где применяется соединение двух легированных листов графена, инкапсулированного гексагональным нитридом бора (hBN), а детектируемый диапазон

1/2

частот соответствует 2ч-4 ТГц. эквивалентная мощность шума не хуже 200 пВт-Гц" , 25 время отклика менее 40 не (коэффициент Зеебека для графена до 100 мкВ/К). Другие аналогичные детекторы на базе графена представлены в работе [Viti L. et al. Thermoelectric graphene photodetectors with sub-nanosecond response times at terahertz frequencies // Nanophotonics. - 2021. - T. 10. - №1. - C. 89-98] для частоты 3,4 ТГц

-t/2

(эквивалентная мощность шума до 120 пВт-Гц , чувствительность до 10ч-20 В/Вт, 30 работа при комнатной температуре), в работе [Tong J. et al. Antenna enhanced graphene THz emitter and detector//Nano Letters. - 2015. -T. 15. - №.8. - C. 5295-5301] для частоты 1,9

-1/2

ТГц (эквивалентная мощность шума до 1,7 нВтГц , чувствительность до 4,9 В/Вт, работа при комнатной температуре), в работе [Liu C.et al. Towards sensitive terahertz detection via thermoelectric manipulation using graphene transistors //NPG Asia Materials. -2018. -T. 10. - №4. - C. 318-327] для частоты 0.12 ТГц (эквивалентная мощность шума

-1/2

до 100 пВт-Гц , чувствительность до 280 В/Вт, работа при комнатной температуре), в работе [Bauer М. et al. The potential for sensitivity enhancement by the thermoelectric effect in carbon-nanotube and graphene Tera-FETs // Journal of Physics: Conference Series. - IOP 40 Publishing. 2015. - T. 647. - №1. - C. 012004] для частоты 0,6 ТГц (эквивалентная мощность

1/2

шума до 515 пВт-Гц , работа при комнатной температуре). Такие детекторы работают лишь в относительно нешироком частотном диапазоне, определяемом геометрией антенны и свойствами использованных в ней материалов.

Известен другой тип ТГц термоэлектрических детекторов [CN 111854941 А], где 45 графен выступает в роли поглотителя ТГц волн, в то время как в качестве

термоэлектрических материалов выступают цирконат-титанат свинца, танталат лития, ниобат лития, нитрид галлия и нитрат цезия. Описанный в указанном патенте способ изготовления (многослойная структура со сверхтонкими слоями графена на подложке,

тонкими слоями микрочастиц, термоэлектрического материала и электродами) является технологически сложным и потому требует высоких затрат.

Известен тип ТГц термоэлектрических детекторов на базе монокристаллов перовскита МАРЫз (золотой и серебряный электроды подключаются к двум противоположным сторонам монокристалла) с антиотражающим покрытием на базе двумерного перовскита, которые также работают при комнатной температуре [Li J. et al. Enhanced room-temperature terahertz detection and imaging derived from anti-reflection 2D perovskite layer on MAPbl3 single crystals // Nanoscale. - 2022. - T. 14. - №.16. - C. 6109-6117],

-I /2

характеризуется эквивалентной мощностью шума менее 2,16 нВ тГц , чувствительностью 88.8 мкА/Вт. Однако, возможность детектирования с использованием указанного материала продемонстрирована лишь для частоты 0,1 ТГц в указанной работе.

В работе [Bai J. et al. A terahertz photo-thermoelectric detector based on metamaterial absorber //Optics Communications. - 2021. -T. 497. -C. 127184] представлен тип термоэлектрических ТГц детекторов на основе термопары из золота и висмута, в месте соединения которых расположена метаповерхность, являющаяся селективным поглотителем ТГц излучения на резонансной частоте 1 ТГц. Указанный детектор характеризуется эквивалентной

-1/2

мощностью шума 6,6 мкВтГц" , чувствительностью 35 мВ/Вт. Несмотря на возможность работы при комнатной температуре, данная конфигурация не предназначена для широкополосного детектирования ТГц излучения.

В связи с вышесказанным, в настоящее время актуальной задачей является разработка детектора импульсного и непрерывного ТГц излучения на основе термоэлектрического материала, функционирующего при комнатной температуре, который обеспечивает широкополосное детектирование во всем ТГц диапазоне частот (0.1ч-10 ТГц), имея при этом простую конструкцию.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка компактного устройства, обеспечивающего детектирование как непрерывного, так и импульсного ТГц излучения в диапазоне частот от 0,1 ТГц до 10 ТГц при комнатной температуре.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, состоит в обеспечении возможности высокочувствительного детектирования непрерывного и импульсного ТГц излучения мощностью до 500 мВт при температуре от - 10°С до +50°С в диапазоне частот 0,1ч-10 ТГц с чувствительностью не менее 30 мВ/Вт, эквивалентной мощностью шума не хуже 0.15 нВт-Гц. временем отклика не более 20 мкс, частотой модуляции 14-40 Гц.

Основными элементами устройства являются линза, термоэлектрические ветви на основе тон ко плен очного термоэлектрического материала и плата усилителя, соединенная с электродами на обоих концах змеевика.

Устройство действует следующим образом: импульсное или непрерывное ТГц излучение попадает на чувствительный элемент, выполненный в виде термоэлектрических ветвей на основе тонких пленок твердого раствора висмут-сурьмы и подключенный с двух концов к электродам (контактам), и вызывает его неравномерный нагрев, в результате чего возникает термо-ЭДС (фототермоэлектрический эффект), и значение разности потенциалов усиливается посредством платы усиления и передается на внешний интерфейс для считывания внешним устройством измерения напряжения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в структуре детектора

используется термоэлектрический материал с высокой чувствительностью к излучению ТГц диапазона частот, а также за счет отсутствия резонансных элементов, таких как антенны и метаповерхности, использование которых приводило бы к сужению спектра детектируемого излучения до определенного диапазона частот. В качестве s чувствительного термоэлектрического элемента предлагается использовать

термоэлектрические ветви из тонкой пленки твердого раствора висмут-сурьмы Bi|_xSbx.

Перечень фигур, чертежей

Изобретение поясняется схематическим чертежом, представленном на фиг. 1.

При этом, на:

10 фиг. 2 представлен эскиз корпуса детектора ТГц излучения;

фиг. 3 представлена блок-схема платы усиления, используемой для увеличения эффективности детектирования ТГц излучения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 представлена схема широкополосного детектора ТГц излучения. Согласно 15 этой схеме термоэлектрический элемент 6 размещен внутри прямоугольного корпуса 1, в центре которого выполнена апертура 5 для пропускания ТГц излучения на поверхность группы термоэлектрических ветвей, последовательно составленных из узких полосок висмут-сурьмы и меди.

Терагерцевое излучение проходит через входную диафрагму и падает на 20 соответствующую размеру диафрагмы часть термоэлектрических ветвей, приводя к их нагреву и, таким образом, созданию градиента температур вдоль каждой из термоэлектрических ветвей, благодаря чему между двумя контактами (электродами) возникает термо-ЭДС, регистрируемая и усиливаемая посредством платы усиления и передаваемая на внешнее устройство измерения напряжения. 25 Увеличение длины термоэлектрических ветвей при соответствующем

пропорциональном увеличении площади падающего на них пучка ТГц излучения, равно как и увеличение количества таких ветвей при неизменной площади пучка, приводит к увеличению эффективности детектирования за счет роста значения термо-ЭДС. Таким образом, для реализации заявленного изобретения необходим подбор оптимальных 30 значений количества ветвей и их длины с учетом площади, освещаемой ТГц излучением, и оптимальной ширины термоэлектрических ветвей, обеспечивающей достаточно низкое электрическое сопротивление. В качестве материала, из которого предлагается выполнять такие термоэлектрические ветви, предлагается использовать тонкие пленки твердого раствора висмут-сурьмы.

На фиг. 2 представлен эскиз корпуса детектора 1 в форме прямоугольного параллелепипеда с посадочными резьбовыми отверстиями снизу и сбоку 2 для монтажа на оптический стол с помощью держателя, интерфейсом 3 на боковой поверхности для подключения внешнего источника питания, интерфейсами электрических контактов 4 для подключения к внешнему устройству измерения разности потенциалов. На 40 фронтальной стороне корпуса в центре расположено прямоугольное окно (диафрагма) 5, ограничивающее сечение терагерцевого излучения, которое попадает на расположенный за окном термоэлектрический элемент 6, в рамках оптимальной площади его падения на группу термоэлектрических ветвей, подключенных к плате усилителя

7, которая расположена за термоэлектрическим элементом 6, запитывается от внешнего 45 источника питания 3 и на выходе соединяется с интерфейсом электрических контактов

4, расположенным на внешней стороне устройства. За прямоугольным окном 5 с двух противоположных сторон от термоэлектрического элемента 6 расположен радиатор

8, обеспечивающий рассеивание тепла за пределы корпуса детектора 1. Фронтальная

сторона корпуса с диафрагмой закрывается прямоугольной крышкой при транспортировке и хранении.

На фиг. 3 представлена блок-схема платы усиления, на вход которой поступает сигнал сенсора (термоэлектрического элемента) 6, проходящий последовательно через блоки зануления фонового сигнала и фильтрации от электромагнитных помех 9 (фильтры низких частот, ФНЧ). каскад инструментальных усилителей 10 и блок фильтрации электромагнитных помех 11.

(57) Формула изобретения

1. Устройство детектирования непрерывного и импульсного терагерцевого излучения в диапазоне частот от 0.1 до 10 ТГц. работающее на основе фототермоэлектрического эффекта, состоящее из чувствительного элемента, выполненного на основе последовательно соединенных термоэлектрических материалов на диэлектрической подложке, и электродов (проводников), соединенных с платой усилителя, отличающееся тем, что в качестве термоэлектрического материала используется тонкая пленка твердого раствора висмут-сурьма Вц_х Sbx.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина d (нм) тонкой пленки висмут-сурьмы находится в интервале: 100<d<500.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что концентрация сурьмы х (ат %) находится ' в интервале: 5<х< 17.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде массива термоэлектрических ветвей, количество которых п (шт.) определяется из соотношения: п>2.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что ширина термоэлектрических ветвей w ■ (мм) находится в интервале: 0,01<w<3,0.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что длина термоэлектрических ветвей 1 (мм) находится в интервале:5<1<50.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что чувствительность детектора составляет не менее 10 В/30 мВт при использовании платы усиления.

i 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что эквивалентная мощность шума не

-1/2

превышает значения 0,15 нВт-Гц" .