بخشی از مقاله
چکیده -آشکار ساز مادون قرمز ابررسانا با استفاده از فیلم نازک لایهنشانی شده به روش متال-اورگانیک - Metal Organic Deposition -MOD - طراحی و ساخته شده است. در این کار نمونههای لایه نازک ابررسانای ایتریم باریم کاپر اکساید - YBa2Cu3O7-δ - بر روی زیرلایه تک بلور لانتانم آلومینات - LaAlO3 - لایهنشانی شده است. در این روش بر پایه محلول اولیه شامل استیل استونات فلزهای ایتریم باریم و مس با ترکیب مناسب نمونههای لایه نازک با کیفیت بالا تولید شده است. . مشخصهیابی SEM جهت مشاهده کیفیت سطح و اندازهگیریهای R-T و I-V جهت ارزیابی از کیفیت لایه نازک ابررسانا انجام شده است. سپس طرح آشکارساز مادون قرمز به روش لیتوگرافی با دقت بالا بر روی این فیلم ابررسانا پیاده شده است. در آخر اندازه گیریهای پاسخ آشکار ساز ساخته
شده به موج مادون قرمز تابشی از یک منبع جسم سیاه گزارش شده است.
-1 مقدمه
از زمان اولین گزارشها در مورد امکان بهره برداری از پدیده ابررسانایی برای ساخت آشکارسازهای مادون قرمز [1] تحقیقات زیادی برای ساخت و بهینهسازی این نوع از آشکارسازها با استفاده از فیلم نازک YBCO انجام شده است.[7-1] با استفاده از آشکارسازهای ابررسانای YBCO در دمای بالاتر از 77 درجه کلوین - دمای گذار - YBCO، میتوان بالاترین نرخآشکارسازی و حساسیت را در رنج بسیار وسیعی از طول موج تابشی بدست آورد. به علت حساسیت بسیار بالای این نوع از تابشسنجها در مقایسه با انواع متداول - مانند تابشسنجهای نیمههادی - و همچنین عدم وابستگی محسوس پاسخ آنها به طول موج نور تابشی، استفاده از این نوع تراشهها روز به روز گستردهتر میشود.
این تابشسنجها کاربردهای فراوانی دارند به عنوان مثال می توان از کاربرد آنها در مخابرات نوری، مطالعات فضایی، تصویربرداری مادون قرمز به منظور اهداف نظامی و پزشکی و اندازهگیری دما بدون نیاز به تماس نام برد7]و.[8 برای ساخت آشکارساز ابررسانا با حساسیت بالا نیاز به فیلم نازک ابررسانا با کیفیت بالا است. تولید لایه نازک ابررسانا با چگالی جریان بالا، مقاومت سطحی کم و ابعاد بزرگ جهت تولید تراشههای الکترونیکی، مایکروویو و غیره مورد علاقه بوده است.
به همین جهت ساخت ابررسانا به روش متال اورگانیک به علت دارا بودن خواص ذکر شده و همچنین کم هزینه بودن در کانون توجه قرار گرفته است.[13-10] استفاده از لایه نازک ابررسانا ساخته شده به روش MOD جهت ساخت آشکار ساز مادون قرمز گذار -لبهای در اینجا برای نخستین بار گزارش شده است. در این کار ساخت تابشسنجهای گذارلبهای با استفاده از فیلم ابررسانای ساخته شده به روش MOD ارائه شده است.
-2 جزییات ساخت
آشکارساز ابررسانا با استفاده از فیلم نازک YBCO لایه نشانی شده به روش MOD ساخته شده است. برای ساخت فیلم نازک به این روش، محلول YBCO با استفاده از پودرهای استیل استونات هر کدام از عناصر ایتریم، باریم و مس با نسبت وزنی تهیه شده است. مخلوط این پودرها در دو حلال مناسب حل و سپس خشک شده است تا ماده باقی مانده شامل حلالها نباشد. سپس ماده باقی مانده دوباره در متانول حل میشود تا محلول نهایی حاصل شود.
برای ساخت لایه نازک، محلول نهایی به روش اسپین-کوتینگ بر روی زیرلایه لانتانم آلومینات به ضخامت یک میلیمتر لایهنشانی شده است. فیلم لایهنشانی شده ابتدا در دمای 80 درجه سانتیگراد خشک شده و سپس در دمای 500 درجه کلسینه شده است، تا ترکیبات آلی از لایه نازک خارج شده و اکسید مواد ابررسانا برجای بماند. در مرحله بعد فیلم در دمای 760 درجه سانتیگراد و فشار آرگون-اکسیژن به نسبت 1:10000 جهت کریستالی شدن ابررسانای YBCO قرار میگیرد. در این مرحله ساختار تتراگونال YBCO تشکیل میشود. در نهایت تحت جریان اکسیژن دما به آرامی کاهش مییابد تا مرحله اکسیژن گیری تکمیل شود و ابررسانا به فاز ارتورومبیک برود که فاز نهایی است.
فیلم نازک ساخته شده برای ساخت آشکارساز به صورت مارپیچ با پهنای خطوط 80 میکرون و فاصله بین خطوط 100 میکرون الگوبرداری شده است. برای الگوبرداری طرح از روش فتولیتوگرافی با فتورزیست مثبت AZ5214 استفاده شده است. در نهایت برای پاکسازی فیلم اضافه از محلول اسید فسفریک رقیق شده %0/75 استفاده شده است. برای برقرای اتصالات الکتریکی از سیم مسی و اتصال ایندیوم استفاده شده است.
برای اندازهگیری مقاومت از جریان بایاس DC و روش اندازهگیری پروپ چهارتایی استفاده شده است. تحریک آشکارساز با استفاده از یک منبع جسم سیاه در دمای 640 کلوین و پیک تابش 4/5 میکرون انجام شده است. پاسخ آشکارساز بعد از تقویت به وسیله یک تقویتکننده نویز پایین توسط یک تقویت کننده تک فرکانس تقویت میشود. برای کنترل دمای بایاس تابش سنج از یک کنترلر PID که به صورت نرمافزاری توسط LabWiev طراحی شده است استفاده میشود. با این کنترلر امکان کنترل دما با تغییرات حداکثر 10mK فراهم میشود. کل فرایند اندازهگیری به صورت اتوماتیک و توسط این نرم افزار انجام شده و منحنی-های پاسخ بر حسب دما و مقاومت بر حسب دما به طور همزمان در کامپیوتر رسم میشود.
-3 نتایج و بررسی:
لایه نازک ابررسانا برای ساخت تراشه بایستی دارای پیوستگی و همگنی بالایی باشد، چرا که در غیر این صورت کارآیی آشکارساز به شدت کاهش مییابد. در شکل 1 تصویر SEM از نمونه با بزرگنمایی 20000، آورده شده است. همانطور که در شکل دیده میشود کیفیت نمونه در ابعاد میکرونی تقریبا مسطح و یکنواخت است، که در مقایسه با ابعاد مشخصه تراشه که 80 مایکرون است، یکنواختی مناسبی میباشد.
پارامتر دیگری از لایه نازک که تعیین کننده کیفیت آشکار ساز است تیز بودن گذار ابررسانایی میباشد، چرا که آشکارسازی متناسب با مشتق مقاومت بر حسب دما است. نمودار مقاومت بر حسب دما برای نمونه قبل از طرح الگو برروی آن در شکل 2 آورده شده است. نمودار مقاومت بر حسب دما در حوالی دمای گذار در شکل کوچک درون شکل 2 آورده شده است. از آنجا که ناحیه کار آشکارسازهای مادون قرمز ابررسانا ناحیه گذار ابرررساناست، بنابراین مهمترین پارامتر نحوه گذار ماده از حالت ماده دارای مقاومت به مقاومت صفر است.
پارامترهای دیگر از جمله چگالی جریان بحرانی، ضخامت لایه و مقاومت سطحی ابررسانا که در ساخت تراشههای مختلف دیگر اهمیت دارند در ساخت اینگونه آشکارسازها نقش تعیین کنندهای ندارند. همانطور که از رابطه 1 دیده میشود پاسخ ابررسانا به مشتق مقاومت بر حسب دما بستگی دارد، بنابراین تیز بودن گذار ابررسانایی نقش بسزایی در افزایش پاسخ یا حساسیت تراشه ایفا می-کند. علاوه براین از رابطه 1 میتوان دید که الگو دادن ابررسانا از آنجا که باعث افزایش مقاومت نمونه میشود حساسیت آشکارساز را افزایش میدهد.
