mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2019-7-6-105-121mireabulletin-185Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSТермочувствительные тонкопленочные элементы на основе полуметаллов для приемников электромагнитного излученияThin-film heat-sensitive elements on the basis of semimetals for electromagnetic radiation receiversКикМ. А.KikMikhail A.

Кик Михаил Андреевич, старший научный сотрудник, кафедра квантовой электроники, физический факультет

119991, Россия, Москва, Ленинские горы, МГУ

Mikhail A. Kik, Senior Researcher, Chair of Quantum Electronics, Physics Faculty

119991, Russia, Moscow, Russia, Leninskie gory

prostokik@mail.ruГолоколеновИ. А.GolokolenovIlya A.

Голоколенов Илья Алексеевич, старший научный сотрудник

117334, Россия, Москва, ул. Косыгина, д. 2101000, Россия, Москва, Мясницкая ул., д. 20

Ilya A. Golokolenov, Senior Researcher

2, ul. Kosygina, Moscow 119334, Russia;20, Myasnitskaya ul., Moscow 101000, Russia

undante@mail.ruСиговА. С.SigovAleksandr S.

Сигов Александр Сергеевич, академик РАН, доктор физ.-мат. наук, президент, Scopus Author ID 35557510600, ResearcherID L-4103-2017

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Aleksandr S. Sigov, Academician, Dr. of Sci. (Phys.-Math.), President of the MIREA, Scopus Author ID 35557510600, ResearcherID L-4103-2017

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454, Russia

sigov@mirea.ruШиляевА. А.ShilyaevAnatoly A.

Шиляев Анатолий Алексеевич, кандидат физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник; старший научный сотрудник

119991, Россия, Москва, ул. Косыгина, д. 4119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Anatoly A. Shilyaev, Cand. of Sci. (Phys.-Math.), Leading Researcher; Senior Researcher

4, ul. Kosygina, Moscow 119991, Russia; 78, Vernadskogo pr., Moscow 119454, Russia

marnya3491@yandex.ruЗавьяловВ. В.ZavyalovVitaly V.

Завьялов Виталий Вадимович, кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

117334, Россия, Москва, ул. Косыгина, д. 2101000, Россия, Москва, Мясницкая ул., д. 20

Vitaly V. Zavyalov, Cand. of Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

2, ul. Kosygina, Moscow 119334, Russia;20, Myasnitskaya ul., Moscow 101000, Russia

v_zav@mail.ruВербицкийС. С.VerbitskySergey S.

Вербицкий Сергей Сергеевич, кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

119991, Россия, Москва, ул. Косыгина, д. 4

Sergey S. Verbitsky, Cand. of Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

4, ul. Kosygina, Moscow 119991, Russia

ЦелебровскийА. Н.TselebrovskyAleksey N.

Целебровский Алексей Николаевич, кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

119991, Россия, Москва, ул. Косыгина, д. 4

Aleksey N. Tselebrovsky, Cand. of Sci. (Phys.-Math.) Senior Researcher

4, ul. Kosygina, Moscow 119991, Russia

anzeleb@gmail.comМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationИнститут физических проблем им. П.Л. Капицы РАН; Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»РоссияP.L. Kapitza Institute for Physical Problems, Russian Academy of Sciences; National Research University Higher School of EconomicsRussian FederationМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationМИРЭА – Российский технологический университет; Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАНРоссияMIREA – Russian Technological University; N.N. Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian FederationФедеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАНРоссияN.N. Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian Federation20191001202076105121Copyright © Кик М.А., Голоколенов И.А., Сигов А.С., Шиляев А.А., Завьялов В.В., Вербицкий С.С., Целебровский А.Н., 20202020Кик М.А., Голоколенов И.А., Сигов А.С., Шиляев А.А., Завьялов В.В., Вербицкий С.С., Целебровский А.Н.Kik M.A., Golokolenov I.A., Sigov A.S., Shilyaev A.A., Zavyalov V.V., Verbitsky S.S., Tselebrovsky A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/185

В статье представлены обобщенные результаты работ авторов по исследованию тонких пленок полуметаллов, которые можно использовать при разработке универсальных приемников электромагнитного излучения. Показано, что тонкопленочные материалы на основе полуметаллов обладают высокой термочувствительностью, низким уровнем собственных шумов и повышенным коэффициентом поглощения излучения в миллиметровой области спектра. Образцы пленок висмута и системы висмут–сурьма были получены методом вакуумно-термического напыления. Было проведено исследование термоэлектрических свойств тонких пленок системы висмут–сурьма в интервале температур от температуры жидкого гелия до комнатной, с целью применения данных пленок в виде чувствительного элемента болометрического типа в диапазоне от инфракрасного до радиочастотного. Представлены схема и описание экспериментальной установки для измерения вольтамперных характеристик и величины сопротивления образцов в интервале температур 1.4–400 K. В ходе исследования были получены вольтамперные характеристики и зависимости сопротивления образцов пленок толщиной 80 и 20 нм от температуры. Были измерены характеристики изготовленного макетного приемника и на их основе сделаны оценочные расчеты по возможности разработки приемников болометрического типа с повышенной пороговой чувствительностью. Измерена пороговая чувствительность (NEP – Noise Equivalent Power) изготовленных приемников на частоте 147 ГГц, которая при комнатной температуре составляет ≈(0.3÷1)∙10–9 В Гц1/2 и может быть существенно улучшена при охлаждении приемника до температур жидкого азота и жидкого гелия.

The paper presents the generalized results of the authors’ work on the study of thin films of semimetals, which can be used in the development of universal electromagnetic radiation receivers. It is shown that thin-film materials based on semimetals have high thermal sensitivity, low intrinsic noise and an increased absorption coefficient of radiation in the millimeter region of the spectrum. Samples of bismuth films and bismuth–antimony films were obtained by vacuum thermal spraying. A study was made on the thermoelectric properties of bismuth–antimony thin films in the range from liquid helium temperature to room temperature in order to use these films as a bolometric type sensitive element in the range from infrared to radio frequency. A scheme and description of experimental installations for measuring current-voltage characteristics and determining the resistance of samples in the temperature range 1.4–400 K are presented. In the course of the study, the current-voltage characteristics and the temperature dependences of the resistance of film samples with a thickness of 80 and 20 nm were obtained. The characteristics of the manufactured prototype receiver were measured and used as a basis for estimating the possibility of developing bolometric-type receivers with increased NEP (Noise Equivalent Power). The NEP of the manufactured receivers at a frequency of 147 GHz was measured at room temperature and appeared to be ≈(0.3÷1)∙10–9 Hz1/2. This NEP value can be improved by cooling the receiver to liquid nitrogen or helium temperatures.

излучение миллиметрового диапазонаболометрический приемникпленки полуметалловmillimeter wave radiationbolometerfilms of semimetalsReferencesАндрюшин С.Я., Кравченко Н.В., Кулыманов А.В., Либерова Г.В., Таубкин И.И., Тришенков М.А., Филачев А.М., Эскин Ю.М. Состояние разработок микроболометрических матриц в Государственном научном центре «НПО Орион» // Прикладная физика. 2000. № 5. С. 5–17.Andryushin S.Ya., Kravchenko N.V., Kulymanov A.V., Liberova G.V., Taubkin I.I., Trishenkov M.A., Filachev A.M., Eskin Yu.M. The state of development of microbolometric matrices at the State Scientific Center “NPO Orion”. Prikladnaya fizika = Applied Physics. 2000;5:5-17 (in Russ.).Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего типа». М.: «ЛОГОС», 2004. 443 c.Tarasov V.V., Yakushenkov Yu.G. “Looking type” infrared systems. M.: LOGOS Publ., 2004. 443 p. (in Russ.).Lianjun Sun, Benkang Chang, Junju Zhang. Analysis and measurement of thermal-electrical performance of microbolometer detector // Proceedings of the SPIE. 2007. V. 6782. Optoelectronic Materials and Devices II, 678231. https://doi.org/10.1117/12.745347Lianjun Sun, Benkang Chang, Junju Zhang. Analysis and measurement of thermal-electrical performance of microbolometer detector. In: Proceedings of the SPIE. 2007. V. 6782. Optoelectronic Materials and Devices II, 678231. https://doi.org/10.1117/12.745347Ufuk Senveli S., Yusuf Tanrikulu M., Tayfun Akin. A thermal conductance optimization approach for uncooled microbolometers // Proceedings SPIE. 2011. V. 8012. Infrared Technology and Applications XXXVII, 80121T. https://doi.org/10.1117/12.890234Ufuk Senveli S., Yusuf Tanrikulu M., Tayfun Akin. A thermal conductance optimization approach for uncooled microbolometers. In: Proceedings SPIE. 2011. V. 8012. Infrared Technology and Applications XXXVII, 80121T. https://doi.org/10.1117/12.890234Dumas M.J., Lail B.A. A parametric analysis of microbolometer pixel designs // Proceedings SPIE. 2011. V. 8155. Infrared Sensors, Devices and Applications, Single Photon Imaging II, 815517. https://doi.org/10.1117/12.894170Dumas M.J., Lail B.A. A parametric analysis of microbolometer pixel designs. In: Proceedings SPIE. 2011. V. 8155. Infrared Sensors, Devices and Applications, Single Photon Imaging II, 815517. https://doi.org/10.1117/12.894170Sun L., Chang B., Zhang J., Qian Y., Qiu Y. Thermal and electrical performance of α-Si microbolometer focal plane arrays» // Proceedings SPIE. 2007. V. 6423. 64232D. https://doi.org/10.1117/12.779855Sun L., Chang B., Zhang J., Qian Y., Qiu Y. Thermal and electrical performance of α-Si microbolometer focal plane arrays. In: Proceedings SPIE. 2007. V. 6423. 64232D. https://doi.org/10.1117/12.779855Gauntt J.Li, Cabarcos O.M., Basantani H.A., Venkatasubramanian C., Bharadwaja S.S.N. Microstructure of vanadium oxide used in microbolometers // Proceedings SPIE. 2011. V. 8012. Infrared Technology and Applications XXXVII, 80123T. https://doi.org/10.1117/12.884161Gauntt J.Li, Cabarcos O.M., Basantani H.A., Venkatasubramanian C., Bharadwaja S.S.N. Microstructure of vanadium oxide used in microbolometers. In: Proceedings SPIE. 2011. V. 8012. Infrared Technology and Applications XXXVII, 80123T. https://doi.org/10.1117/12.884161Luukanen A., Miller A.J. and Grossman E.N. Passive hyperspectral terahertz imagery for security screening using a cryogenic microbolometer // Proceedings SPIE. 2005. 5789. P. 127–134. https://doi.org/10.1117/12.608838Luukanen A., Miller A.J. and Grossman E.N. Passive hyperspectral terahertz imagery for security screening using a cryogenic microbolometer. In: Proceedings SPIE. 2005. V. 5789. P. 127-134. https://doi.org/10.1117/12.608838Прохоров А.М., Шиляев А.А., Валиев К.А. и др. Датчик для регистрации плотности потока энергии электромагнитного излучения. Авторское свидетельство № 1225342, декабрь 1985.Prokhorov A.M., Shilyaev A.A., Valiev K.A. [et al.] A sensor for detecting the energy flux density of electromagnetic radiation. Copyright certificate No. 1225342, December 1985.Емохонов В.Н., Клягин А.С., Тальрозе В.Л., Шиляев А.А. Приемник электромагнитного излучения: патент 1 825 246 РФ. № 4641108/25; заявл. 26.12.1988; опубл. 10.04.1995.Emokhonov V.N., Klyagin A.S., Talrose V.L., Shilyaev A.A. Electromagnetic radiation receiver: patent RU 1825246. No. 4641108/25; filled December 24, 1988; publ. October 04, 1995.Кик М.А., Шиляев А.А., Сигов А.С., Шампаров Е.Ю., Завьялов В.В., Богомолов Г.Д., Емохонов В.Н., Терехова Е.В., Шиляева А.А., Денискин В.В. Широкополосный измерительный приемник излучения миллиметрового диапазона с независимой калибровкой: патент 2 616 721 РФ. № 2015154123; заявл. 17.12.2015.; опубл. 18.04.2017. Бюл. № 11.Kik M.A., Shilyaev A.A., Sigov A.S., Shamparov E.Yu., Zavyalov V.V., Bogomolov G.D., Emokhonov V.N., Terekhova E.V., Shilyaeva A.A., Deniskin V.V. Independently calibrated millimeter-wave radiation measuring receiver: patent 2 616 721 RF (in Russ.).Комник Ю.Ф. Физика металлических плёнок. M.: Атомиздат, 1979. 263 c.Komnik Yu.F. Physics of metal films. M.: Atomizdat Publ., 1979. 263 p. (in Russ.).Кик М.А., Шиляев А.А., Сигов А.С., Емохонов В.Н., Завьялов В.В., Шампаров Е.Ю., Денискин В.В. Приемник для измерения мощности электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн. // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2015. Т. 15. № 4. С. 164–169.Kik M.A., Shilyaev A.A., Sigov A.S., Emokhonov V.N., Zav’yalov V.V., Shamparov E.Yu., Deniskin V.V. A receiver for measuring the power of electromagnetic radiation in a wide range of wavelengths. Fundamental’nye problemy radioelektronnogo priborostroyeniya = Fundamental problems of radioengineering and device construction. 2015;15(4):164-169 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.