Terahertz wave sensitive superconducting bolometric detector

Abstract

Terahertz (THz) waves has varied properties than other part of the electromagnetic spectrum which between microwave and infrared and has 0.3-10 THz frequency range and 3-0.03 mm wavelength. There are many areas to utilize from THz radiation that defense industry particularly security part such as detecting of unknown materials, poison or explosive matters. Additionally, THz waves can pass through leather, fabric and paper despite of metal and water and there is no enough energy to ionize the atoms in THz radiation. That’s why, THz radiation is not hazardous for human. Many detectors are developed to use these benefit of THz radiation. Bolometric detector is preferred between these detectors to detect the radiation above 1 THz frequency. Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi2212) single crystal was used in literature for the first time to detect the THz waves with superconducting bolometers with our study. In this study, epoxy was used to transfer Bi2212 single crystal onto the sapphire substrate. Intended thickness was acquired by scotch tape via cleaved crystal mechanically. Edge of crystals were cut pyramid shape to provide each layer to contact with gold, crystal and silver epoxy. 150-200 nm crystals were shadowed by aluminum foil to deposit roughly 200 nm gold. Then clean room process was implemented to prepare our samples to electron beam lithography. Log-periodic antenna and four point contact structure was placed onto the crystals then UV light, developer and ion beam etching system were performed. Cryostat was designed and produced to measure electrical and bolometric measurements. Resistance-temperature in a-b axis gave the around 90 K as critical temperature. Bolometric measurement was done via superconducting transition region to decide the selected temperature to measure the change of resistance by sending signal from Stefan-Boltzmann Lamp in specific seconds. Change of resistance was observed from resistance-time measurement for bolometric measurement. Response time was calculated approaching 825 ms from the result of bolometric measurement. Our measurement set-up has limitation to read right data. Lock-in-amplifier may use to more accurate result.

Terahertz (THz) dalgaları elektromanyetik spektrumun 0.3 ile 10 THz frekans aralığında ve 3 ile 0.03 mm dalga boyunda mikrodalga ve kızılötesi arasında kalan kısım olan terahertz radyasyonu elektromanyetik spektrumun sahip olduğu özelliklerden farklı özelliklere sahiptir. THz ışınımdan yararlanılan savunma sanayisi özellikle bilinmeyen, zararlı malzemelerin veya patlayıcıların tespiti gibi birçok alan vardır. Ayrıca, THz dalgaları deri, kumaş ve kâğıt gibi malzemelerden geçerken su ve metalden geçememektedir ve THz dalgası boyunca atomları iyonize etmek için yeterli enerjiye sahip olmadığından dolayı, THZ dalgaları canlı dokulara zarar vermemektedir. THz dalgasının bu faydalarından yararlanmak için birçok detektör üretilmiştir. Bolometrik dedektör 1 THz üzerindeki frekanslarda ışımayı algılamasından dolayı tercih edilmektedir. Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi2212) tek kristali, bolometrik dedektör ile THz dalgalarını algılaması için literatür de ilk defa bu çalışmada kullanılmıştır. Bi2212 tek kristali epoksi yardımı ile safir alttaşa aktarılmıştır. Scotch bant ile mekanik olarak katmanlarına ayırarak 150-200 nm kalınlıkta kristaller elde edilmiştir. Kristallerin kenarları piramit şeklinde kesilerek, kristalin her yüzeyinin altın ile temas etmesi sağlanmıştır. Daha sonra, kristallerin gölgelendirmeleri yapılarak yaklaşık 200 nm altın kaplanmıştır. Temiz oda sürecinden sonra, Elektron Demeti Litografisi ile log-periyodik anten ve dört nokta kontak tasarımları yerleştirilmiş, birkaç işlemden sonra yongalar ölçüme hazır hala gelmiştir. Elektriksel ve bolometrik ölçümleri alabilmek için tasarlanan ve üretilen bolometrede alınan a-b ekseni direnç-sıcaklık ölçüm sonucunda yongalarımızın 90 K civarında kritik sıcaklık değerleri ölçülmüştür. Bolometrik ölçüm, belirlenmiş olan süperiletken geçiş bölgesinde bir sıcaklık belirleyerek bu sıcaklıktaki Stefan-Boltzmann lambası ile belirli saniye aralıklarında gönderilen sinyal ile dirençte oluşan değişime bakılarak yapılmıştır. Bolometrik ölçüm sonucundan yongalarımızın tepki süreleri hesaplanarak 825 ms’ye ulaşan değerler bulunmuştur. Ölçüm sistemimizde cihazların veri okuma hızına yetişememesinden dolayı, tepki süreleri asıl olduğundan daha yüksek okunmuştur.