mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2019-7-4-122-133mireabulletin-186Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSМногоэлементный приемник для субмиллиметрового диапазона с пленочным чувствительным элементом на основе полуметаллов в тепловизорах смотрящего типаMulti-element receiver with semimetal film sensing element for the submillimeter thermal imagers of viewing typeКикМ. 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.ruБогомоловГ. Д.BogomolovGenrikh D.

Богомолов Генрих Дмитриевич, кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

117334 Россия, Москва, ул. Косыгина, д. 2

Genrikh D. Bogomolov, Senior Researcher, Cand. of Sci. (Phys.-Math.)

2, ul. Kosygina, Moscow 119334, Russia

bogomolov@kapitza.ras.ruСиговА. С.SigovAleksandr S.

Сигов Александр Сергеевич, академик РАН, доктор физ.-мат. наук, президент МИРЭА, 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 

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454, Russia;4, ul. Kosygina, Moscow 119991, 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, Russia20, 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

verbitvs@gmail.comЦелебровскийА. 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 имени М.В. Ломоносова (МГУ)РоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationИнститут физических проблем им. П.Л. Капицы РАН (ИФП)РоссияP.L. Kapitza Institute for Physical Problems, Russian Academy of SciencesRussian FederationМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationФедеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАН; МИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological University; N.N. Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут физических проблем им. П.Л. Капицы РАН (ИФП); Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»РоссияP.L. Kapitza Institute for Physical Problems, Russian Academy of Sciences; National Research University Higher School of EconomicsRussian FederationФедеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАНРоссияN.N. Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian Federation20191001202076122133Copyright © Кик М.А., Богомолов Г.Д., Сигов А.С., Шиляев А.А., Завьялов В.В., Вербицкий С.С., Целебровский А.Н., 20202020Кик М.А., Богомолов Г.Д., Сигов А.С., Шиляев А.А., Завьялов В.В., Вербицкий С.С., Целебровский А.Н.Kik M.A., Bogomolov G.D., 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/186

Рассмотрены перспективы разработки многоэлементных приемников для субмиллиметрового диапазона (СММ) с пленочным чувствительным элементом на основе полуметаллов в тепловизорах смотрящего типа (TV-CMM). Электромагнитные волны СММ-диапазона обладают высокой проникающей способностью через различные диэлектрические материалы, что дает возможность разработки тепловизора, с помощью которого можно обнаруживать и наблюдать предметы через самые разнообразные преграды: ткани, картон, дерево и т.д. В статье обобщены ранее полученные результаты исследований по разработке приемников излучения. Исходя из проведенных теоретических и экспериментальных исследований, обзора научно-технической и патентной литературы, в данной работе в качестве чувствительного элемента выбран терморезистивный преобразователь на основе монокристальных пленок материалов в переходном состоянии металл–узкозонный полупроводник–диэлектрик. Для определения возможностей использования тонкопленочного Bi и Bi1–xSbx в качестве поглотителя терагерцового излучения, а также полиимидной пленки в качестве увеличивающего поглощение просветляющего покрытия были проведены измерения спектров пропускания и спектров отражения пленок монокристаллического Bi, выращенных на полиимидной подложке толщиной 12 мкм. Измерения были выполнены на установке, использующей селективный прием излучения при циклотронном резонансном поглощении в InSb, которая регистрирует тепловое излучение образцов материалов в диапазоне от 1 до 5 ТГц со спектральным разрешением 0.6 ТГц. Изготовлены макетные образцы приемников и измерены их характеристики, характеристики с помощью сконструированного стенда, в котором использован лазер, генерирующий излучение в СММ-области спектра. Пороговая чувствительность (NEP – noise equivalent power) предложенных приемников составила величину порядка (4÷6) 10-11 Вт/Гц1/2.

Prospects of developing multi-element receivers for the submillimeter range (SMM) on the basis of thin-film semimetallic sensitive bolometers are considered. Electromagnetic waves of the SMM band have a high penetrating power and allow developing a thermal imager for the detection and observation of objects through various materials: fabrics, cardboard, wood, etc. The previously obtained research results are summarized. On the basis of the theoretical and experimental studies and of a review of scientific, technical and patent literature, in this work, a thermoresistive converter based on single-crystal films of materials in the metal – narrow-bandgap semiconductor – dielectric transition state is selected as a sensitive element. To determine the possibilities of using thinfilm Bi and Bi–Sb system as an absorber of terahertz radiation, as well as a polyimide film as an absorption-enhancing antireflection coating, the transmission spectra and reflection spectra of single-crystal Bi films grown on a 12 μm thick polyimide substrate were measured. The measurements were performed on a setup using selective radiation reception at cyclotron resonance absorption in InSb, which records the thermal radiation of material samples in the range from 1 to 5 THz with a spectral resolution of 0.6 THz. The design and characteristics of the model receiver are presented. The experimental setup was performed using a terahertz gas-discharge laser. The NEP of the proposed receiver is ~(4 ÷ 6)∙10–11 W/Hz1/2.

излучение терагерцового диапазонаболометрический приемникпленки полуметалловлазер на парах водыterahertz radiationbolometric receiversemimetal filmswater vapor laserReferencesСубмиллиметровая диэлектрическая спектроскопия твердого тела / отв. ред. Г.В. Козлов. М.: Наука, 1990. 221 с.Submillimeter dielectric spectroscopy of a solid. Ed. By G.V. Kozlov. M.: Nauka Publ., 1990. 221 p.Luukanen A., Miller A.J., Grossman E.N. Passive hyperspectral terahertz imagery for security screening using a cryogenic microbolometer // Proceedings of the SPIE. 2005. V. 5789. P. 127–134. https://doi.org/10.1117/12.608838Luukanen A., Miller A.J., Grossman E.N. Passive hyperspectral terahertz imagery for security screening using a cryogenic microbolometer. Proceedings of the SPIE. 2005;5789:127-134. https://doi.org/10.1117/12.608838Королев Ф.А. Теоретическая оптика. М.: Высшая школа, 1966. 557 c.Korolev F.A. Theoretical optics. M.: Vysshaya shkola Publ., 1966. 557 p. (in Russ.).Baba S., Sugawara H., Kinbara A. Electrical resistivity of thin bismuth films // Thin Solid Films. 1976. V. 31. № 3. P. 329–335. https://doi.org/10.1016/0040-6090(76)90379-5Baba S., Sugawara H., Kinbara A. Electrical resistivity of thin bismuth films. Thin Solid Films. 1976;31(3):329-335. https://doi.org/10.1016/0040-6090(76)90379-5Ando Y. Topological Insulator Materials // J. Phys. Soc. Jap. 2013. V. 82. Iss. 10. P.102001-32. https://doi.org/10.7566/JPSJ.82.102001Ando Y. Topological Insulator Materials. J. Phys. Soc. Jap. 2013;82(10):102001-32. https://doi.org/10.7566/JPSJ.82.102001Chu H.T. Comment on “Semimetal-to-semiconductor transition in bismuth thin films” // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. Iss. 8. P. 5532–5534. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.5532Chu H.T. Comment on “Semimetal-to-semiconductor transition in bismuth thin films”. Phys. Rev. B. 1995;51(8):5532-5534. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.5532Богомолов Г.Д., Завьялов В.В., Зотова Е.А., Шампаров Е.Ю. Быстродействующий перестраиваемый детектор излучения субмиллиметрового диапазона на циклотронном резонансе в InSb // Приборы и техника эксперимента. 2002. № 1. C. 87–95.Bogomolov G.D., Zav’yalov V.V., Zotova E.A., Shamparov E.Yu. A Fast tunable detector of submillimeter waves on cyclotron resonance in an InSb crystal. Instruments and Experimental Techniques. 2002;45(1):78-86. https://doi.org/10.1023/A:1014560528347Шиляев А.А., Емохонов В.Н., Сигов А.С., Шиляева А.А., Фомина Л.Ф., Денискин В.В., Иванов А.А., Кик М.А. Наноструктурированный ИК-приемник (болометр) с большой поверхностью поглощения: патент RU 2511275. № 2012129709/28; заявл. 16.07.2012; опубл. 10.04.2014. Бюл. № 10.Shilyaev A.A., Emokhonov V.N., Sigov A.S., Shilyaeva A.A., Fomina L.F., Deniskin V.V., Ivanov A.A., Kik M.A. Nanostructured IR receiver (bolometer) with a large absorption surface: patent RU 2511275. No. 2012129709/28; filled July 16, 2012; publ. April 10, 2014 (in Russ.).Завьялов В.В., Богомолов Г.Д. Стабильный газоразрядный лазер на парах воды с генерацией ортогональных поляризаций // Приборы и техника эксперимента. 1982. Т. 25. № 3. С. 174–179.Zav’yalov V.V., Bogomolov G.D. A stable water-vapor discharge laser generating orthogonal polarizations. Instruments and Experimental Technique. 1982;25(3):708-713.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 priborostroeniya = Fundamental problems of radioengineering and device construction. 2015;15(4):164-169 (in Russ.).Родэ С.В., Шампаров Е.Ю. Влияние влаги на терагерцовые спектры тканей // Дизайн и технологии. 2011. № 24 (66). С. 70–76.Rode S.V., Shamparov E.Yu. Effect of moisture on terahertz spectra of tissues. Design and Technologies. 2011;24(66):70-76 (in Russ.).

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