Разработка и исследование тонкопленочных наностуктур и сверхпроводниковых устройств для генерации и приема сигналов

Объектом исследования являются сверхпроводниковые тонкопленочные наноструктуры терагерцового диапазона и интегральные приемные устройства на их основе, гибридные гетероструктуры с прослойкой из оксидного материала с выраженным спин-орбитальным взаимодействием, туннельные структуры типа сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС), терагерцовые и оптические устройства и структуры на основе полупроводниковых и графеновых наноструктур и метаматериалов. Целью работы является разработка полупроводниковых наноструктур для генерации колебаний ТГц диапазона частот, разработка тонкопленочных гибридных гетероструктур на основе оксидных материалов с границей раздела магнетик/материал с выраженным спин-орбитальным взаимодействием, разработка и исследование сверхчувствительных приемных устройств ТГц диапазона, создание надежной и воспроизводимой технологии изготовления СИНИС детекторов терагерцового диапазона, разработка теоретических моделей новых миниатюрных элементов и устройств на базе полупроводниковых и графеновых материалов, предназначенных для управления характеристиками распространения оптического и терагерцового излучения. Результаты работы: Исследован переход между режимами с движущимся и статическим доменом, как при самовозбуждении ТГц резонатора, так и в его отсутствие в полупроводниковых сверхрешетках (СР). Обнаружена сильная локализация ближнепольного ТГц поля внутри кольцевых микрорезонаторов на основе СР GaAs/AlAs. Установлено, что в монокристаллических алмазных пленках, легированных бором, из-за малой концентрации свободных дырок при комнатной температуре и большой энергии связи бора в алмазе ионизация происходит не из-за ударной ионизации, а за счет эффекта Френкеля-Пула. Исследован механизм суб-ТГц генерации в ТГц квантовых каскадных лазерах с использованием джозефсоновских ВТСП детекторов, представлены результаты аналитического и численного расчетов по преобразованию частот в джозефсоновских переходах со сравнимыми собственными и тепловыми энергиями; выяснены ограничения на преобразования частот в ВТСП джозефсоновских переходах, связанные с поглощением на коллективных ТГц модах в ВТСП материале. Методами просвечивающей/растровой электронной микроскопии (П/РЭМ), включая П/РЭМ высокого разрешения, и электронной дифракции (ЭД) проведены структурные исследования образцов NbS3 из одной ростовой партии. Обнаружено нескольких политипов NbS3, а именно NbS3-I, NbS3-II и новый политип. Новую фазу можно рассматривать как структуру с периодическим двойникованием фаз I и II. Исследованы спин-зависимые процессы в гетероструктурах на основе купратного сверхпроводника и пленок иридата стронция с выраженным спин-орбитальным взаимодействием. Разработана, изготовлена, исследована серия СИНИС детекторов, интегрированных в планарные антенны, измерены их электрические характеристики при температуре 300 мК, получено отношение сопротивлений более 50. Установлены факторы и механизмы, определяющие закономерности взаимосвязей максимальных полевых токов со скоростью их увеличения (крутизной ВАХ) в зависимости от напряженности электрических полей и характеристик алмазографитовых источников электронов. Разработаны способы оперативного контроля лимитирующих факторов сильноточной полевой эмиссии и снижения степени их влияния на экстремальные ВАХ наноуглеродных полевых источников электронов. Проведено теоретическое исследование и численное моделирование возбуждения и усиления поперечно-электрических терагерцовых электромагнитных волн в волноводной структуре, содержащей два слоя графена с постоянным током, в том числе вблизи порога неустойчивости. Разработана теория отражения и рассеяния длиннопробежных двумерных плазмон-поляритонов на торце тонкопленочного металлического слоя. Результаты НИР будут востребованы при создании сверхчувствительных приемных устройств ТГц диапазона для радиоастрономии, а также устройств в ТГц и среднем ИК частотных диапазонах, предназначенных для управления оптическим излучением.