Туннельный гелий-графеновый оптико-акустический приемник инфракрасного и ТГц излучения
TUNNEL HELIUM-GRAPHENE OPTOACOUSTIC RECEIVER OF INFRARED AND THz EMISSION

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно для измерений потока электромагнитного излучения дальнего инфракрасного диапазона (включая терагерцовое). Изобретение может быть использовано в ИК и ТГц спектроскопии, системах ночного видения, обнаружения безоболочечных взрывных устройств, технической и медицинской диагностики.
Известно, что приемники излучения классификационно делятся на:
- класс фотонных (квантовых) фотоприемников, в которых энергия фотона преобразуется в некоторую первичную реакцию фотоприемника;
- класс тепловых, в которых энергия фотонов преобразуется в тепло, а реакция фотоприемника возникает как следствие повышения температуры чувствительного элемента.
Принципиальным недостатком фотонных фотоприемников является то обстоятельство, что энергия фотона обратно пропорциональна длине волны излучения (E = hc/λ где h - постоянная Планка; с - скорость света; λ - длина волны), что делает их применение невозможным при длинах волн более 20 мкм даже в случае криогенного охлаждения.
Тепловые фотоприемники работают без охлаждения, имеют постоянную обнаружительную способность в диапазоне 1-2000 мкм, а в диапазоне 20-2000 мкм являются фактически единственным классом фотоприемных устройств, пригодных для практического применения (Киес Р.Дж. и др. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов М. Радио и связь. 1985. стр. 64, рис. 2.22).
В классе тепловых приемников особого внимания заслуживают оптико-акустические приемники основанные на эффекте Белла-Тиндаля. Явление генерации акустических волн в замкнутом объеме газа под действием светового потока, модулированного вращающимся перфорированным диском, обнаружено в 1880 А.Г.Беллом и получило название оптико-акустического эффекта (Bell A. G. // American Journal of Science. 1880.Vol.20. P. 305., Bell A. G. // Philos. Mag. 1881. Vol.11. P. 510). В 1881 это открытие было подтверждено работами Дж. Тиндаля и В.К. Рентгена. (Tyndall J.// Proc. Roy. Soc. London. 1881. Vol.31.P. 3-7-317, Roentgen W. G. // Phyl. Mag. 1881. Vol.11. P. 308.).
Оптико-акустический эффект проявляется в виде пульсаций давления газа в замкнутом объеме при поглощении модулированного на звуковой частоте излучения. Возникновение эффекта связано с преобразованием части энергии возбужденных излучением молекул в тепловую энергию среды за счет безизлучательных переходов. Частота колебаний зависит от частоты модуляции потока, а интенсивность колебаний - от способности данного газа поглощать инфракрасную радиацию и от интенсивности радиации. А. Белл безуспешно пытался использовать обнаруженный эффект для организации оптических линий связи.
В 1936 г. Хейсу (Hayes, H.V.,"А New Receiver of Radiant Energy". Rev. Sci. Instr. Vol.7, No. 5, May 1936, pp.202 to 205, патент US 2115578 C1 "RADIANT ENERGY RECEIVER") удалось использовать эффект Белла-Тиндаля для принципиального усовершенствования классического газового термометра. Он поместил внутрь расширительной камеры специальный элемент, поглощающий исследуемое излучение, и тонкую металлическую разделительную мембрану для регистрации изменения давления. Мембрана была изготовлена из дюралюминия толщиной 25,4 мкм и выполняла роль подвижной пластины динамического конденсатора. Введение в компенсационную камеру дополнительного плоского электрода, расположенного напротив колеблющейся мембраны позволяло свести измерение деформации к измерению электрической емкости.
9
1/2
-1
Преобразования в оптико-акустическом приемнике (ОАП) Хейса осуществляются по схеме (hv → тепло → Р(Т) →δ(Р) → электрический сигнал). Обнаружительная способность ОАП достигает значения 4⋅10 см⋅Гц⋅Вт (что выше, чем у приемника Голея) при постоянной времени 20 мсек. Основные конструктивные решения Хейса успешно используется до настоящего времени, например, в оптико-акустическом приемнике ONERA (Office National d'Etudesetde Recherches Aerospatiales) французского центра аэрокосмических исследований (Шоль Ж., Марфан И., Мюнш М. и др. Приемники инфракрасного излучения. - М.: Мир, 1969. с. 160)].
Разработчик радарных систем Марсель Голей (США) усовершенствовал приемник Хейса и использовал его для идентификации инфракрасных выбросов самолетов (патент US 2,557,096А С1 "MJE GOLAY RADIATION DETECTION DEVICE", GolayM. J. E., //Rev. Sci. Insfrum. 18, 357 (1947)., Golay M. J. E., //Rev. Sci. Instrum, 20, 816 (1949)). Он заменил расположенный в расширительной камере поглощающий элемент, занимавший большую часть полости, поглощающей мембраной, представляющей собой тонкий слой алюминия на полупроницаемой подложке из коллодия. Этим обеспечивалась малая теплоемкость поглотителя и тепловая развязка от стенок расширительной камеры. Сама камера заполнялась ксеноном, обладающим низкой теплоемкостью и высокой теплопроводностью. Голей также применил покрытие сурьмой гибкой мембраны из коллодия для оптического считывания и впервые использовал интерферометрические методы измерения деформации гибкой мембраны для измерения инфракрасного излучения.
В 1946 г. А. Гершбергер (США) (Hershberger W. D. // Phys. Rev. 1946. Vol.69 (A).P. 695) впервые наблюдал оптико-акустический эффект в сантиметровом диапазоне длин волн.
Оптико-акустические преобразователи (ОАП), принцип действия которых основан на детектировании теплового расширения газа, заключенного в замкнутом объеме и известные как ячейка Хейса, ячейка Голея, первоначально предназначенные для измерения слабых потоков излучения ИК диапазона, за 70 лет эволюционного развития не только успешно выдержали конкуренцию с приборами аналогичного назначения, использующими тепловые или фотонные принципы работы, но и значительно расширили область применения, включив в первую очередь качественный и количественный анализ газовых смесей, фотоакустическую спектроскопию твердых тел и жидкостей и сверхвысокочувствительную молекулярную спектроскопию в субтерагерцовом диапазоне (Техника спектроскопии в дальней инфракрасной, субмиллиметровой и миллиметровой областях спектра: Ред. Т.М. Лифшиц. - Москва: Мир, 1970. - 399 с, Лямов В.Е., Мадвалиев У., Шихлипская Р.Э. Фотоакустическая спектроскопия твердых тел. -// Акуст.ж., 1979, т.25, №3, с. 427-433., Егерев С.В. «Фемто-, пикосекундная и "терагерцевая" оптоакустика» Известия РАН. Серия физическая, 82, №1, с. 532-537 (2018)., G.Yu. Golubyatnikov, М.А. Koshelev, A.I. Tsvetkov, АР. Fokin, M.Yu. Glyavin, M.Yu. Tretyakov. Sub-Terahertz High-Sensitivity High-Resolution Molecular Spectroscopy with a Gyrotron. IEEE Trans, on Terahertz Sci. Technol. 10(5), 502-512(2020).
-7
-12
Однако метрологические параметры ОАП с оптической и емкостной схемами считывания имеющими порог разрешения деформации гибкой мембраны порядка 2×10 м являются недостаточными для многих современных применений. Более высокие метрологические параметры обеспечивает использование туннельного датчика перемещений с порогом 2×10 м.
Методы электронного туннелирования позволяют определять положение с разрешением ниже Ангстрема, используя компактную механическую структуру и простые электронные элементы управления. Принцип действия туннельных преобразователей перемещений (G. Binnig Tunneling through a controllable vacuum gap Appl. Phys. Lett., Vol.40, No. 2, 15 1982) базируется на эффекте туннелирования электронов (возникновении туннельного тока) в электродном контакте типа игла-плоскость с тонким (толщиной порядка 1 нм) межэлектродным слоем диэлектрика (газа, воздуха, вакуума или жидкости). Характерные значения туннельного тока составляют величину порядка 1 нА при напряжениях порядка 0,1 В и расстоянии 1 нм между электродами. Туннельные преобразователи характеризуются чрезвычайно высокой чувствительностью к перемещению. Разрешение нормальное к поверхности - 0,01 нм. Метод может быть использован при температурах, от долей градуса Кельвина и до 1000 К. (S.B. Waltman, W.J. Kaiser "An electron tunneling sensor" - Sensors Actuatorsl 9,201.1989, Патент РФ 2212671 Алексеенко А.Г. и др. Туннельный нанодатчик механических колебаний и способ его изготовления 2001, Патент РФ 2713964 Попов А.Б. Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений)". 2020).
Недостатками известных технических решений являются.
Известно техническое решение, предложенное в туннельном инфракрасном датчике (патент US 5298748 С1 "Uncooled tunneling infrared sensor" МПК G01J 1/42; G01J 5/00; G01J 5/42; G01Q 30/10; G01Q 60/16; G01Q 70/14; G01Q 70/18; G01Q 10/00, опубликован 29.03.1994 г.) и выбранное в качестве прототипа, в котором ОАП выполнен по классической двухкамерной схеме с туннельным преобразователем для считывания прогиба гибкой мембраны. Корпус преобразователя выполнен в виде трех блоков. Между входным и промежуточным блоками расположена газопроницаемая мембрана с поглотителем лучистой энергии выполненном в виде платиновой пленки толщиной 100 Å. Эластичная мембрана выполнена из нитрида кремния гофрированной с проводящим покрытием слоем золота, выполняющего роль подвижного туннельного электрода, расположена между вторым и третьим блоками. На внутренней поверхности третьего блока, обращенной в сторону гибкой мембраны, расположен острийный туннельный электрод и кольцевой электрод системы электростатического управления зазором туннелирования. Расширительная камера заполнена воздухом при атмосферном давлении.
Недостатками известного технического решения являются ограничение чувствительности устройства, обусловленое упругими характеристиками гибкой мембраны из нитрида кремния; ограничение быстродействия устройства обусловленное воздушным наполнением расширительной камеры; отсутствие термо и барокомпенсации из за пневматической связи расширительной камеры с атмосферой.
Перед авторами ставилась задача создание устройства для измерений потока электромагнитного излучения дальнего инфракрасного диапазона включая терагерцовое.
Поставленная задача решается тем, что в туннельном гелий-графеновом оптико-акустическом приемнике ИК и ТГц излучения, который включает в себя цилиндрический корпус, который содержит систему из расширительной камеры и компенсационной камеры, которые наполнены газом и разделены шайбовидной перегородкой, со встроенной в нее гибкой мембраной из однослойного графена, при этом между шайбовидной перегородкой и гибкой мембраной из однослойного графена выполнено напыление тонкого металлического слоя, в виде обрамляющего контактного кольца для герметизации расширительной камеры, при этом один торец расширительной камеры является входным окном с просветляющим покрытием для исследуемого электромагнитного излучения, внутри расширительной камеры параллельно входному окну располагается коллодиевая пленка со сквозной пористостью, с нанесенным на нее, и термически развязанным от стенок расширительной камеры, металлическим поглощающим элементом в виде тонкой пленки металла с малой теплоемкостью; неподвижный туннельный электрод и электростатический актюатор, которые расположены на внутренней поверхности компенсационной камеры, при этом гибкая мембрана из однослойного графена совместно с неподвижным туннельным электродом и кольцевым электродом электростатического актюатора образуют туннельный датчик перемещения дополнительно в гибкой мембране из однослойного графена выполнена краевая перфорация с микроотверстиями с возможностью пневматической связи расширительной камеры и компенсационной камеры, при этом неподвижный туннельный электрод выполнен игольчатым на основе углеродной нанотрубки либо неподвижный туннельный электрод выполнен в виде металлической полусферы, радиус которой много меньше радиуса гибкой мембраны из однослойного графена, далее система из расширительной камеры и компенсационной камеры выполнена заполненной гелием при низком давлении.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении чувствительности и стабильности работы устройства, расширении динамического диапазона устройства и увеличении быстродействия при измерении потока электромагнитного излучения, а так же в расширении средств данного назначения.
На фиг.1 представлена конструктивная схема заявляемого туннельного гелий-графенового оптико-акустического приемника инфракрасного и ТГц излучения, где 1 - исследуемое электромагнитное излучение: 2 - просветляющее покрытие; 3 - входное окно; 4 - металлический поглощающий элемент; 5 - коллодиевая пленка со сквозной пористостью; 6 - расширительная камера; 7 - контактное кольцо; 8 - краевая перфорация с микроотверстиями; 9 - гибкая мембрана из однослойного графена; 10 - кольцевой электрод электростатического актюатора; 11 - неподвижный туннельный электрод; 12 - цилиндрический корпус; 13 - вывод неподвижного туннельного электрода; 14 - вывод кольцевого электрода электростатического актюатора; 15 - компенсационная камера; 16 - кольцевой электрод, 17 - шайбовидная перегородка.
2
Принцип работы заявляемого туннельного гелий-графенового оптико-акустического приемника инфракрасного и ТГц излучения следующий. Во всех разновидностях оптико-акустических приемников излучения, основанных на эффекте Белла-Тиндаля основным конструктивным элементом, определяющим метрологические параметры устройства, является гибкая мембрана. В настоящее время лучшие мембраны изготавливаются из тончайших слоев полиамида или нитрида кремния толщиной несколько десятков нанометров с покрытием -отражающим металлическим слоем толщиной 100 ангстрем. Мембраной называется тонкая, равномерно растянутая пленка, обладающая распределенной инерцией и упругостью. Инерция мембраны характеризуется массой единицы площади ρ (в кг/м), а упругость - силой натяжения т (в Н м). Из определения следует, что минимальной инерцией будут обладать предельно тонкие мембраны, изготовленные на основе 2D материалов, например, из однослойного графена.
Заявляемый туннельный гелий-графеновый оптико-акустический приемник ИК и ТГц излучения включает в себя цилиндрический корпус 12, который содержит систему из расширительной камеры 6 и компенсационной камеры 15. Они разделены шайбовидной перегородкой 17 и гибкой мембраной 9 из однослойного графена на две газонаполненные камеры. Расширительная камера 6 и компенсационная камера 15 пневматически связаны через микроотверстия краевой перфорации 8 гибкой мембраны из однослойного графена 9, и заполнены газом, например, гелием при низком давлении. Один торец расширительной камеры 6 является входным окном 3 для электромагнитного излучения, а противоположный закрыт гибкой мембраной из однослойного графена 9, являющаяся преобразователем давления. Исследуемое электромагнитное излучение 1 проходит через входное окно 3, выполненное из прозрачного, в исследуемом диапазоне длин волн, материала, имеющее просветляющее покрытие 2 на наружной плоскости, проникает в расширительную камеру 6. Внутри расширительной камеры 6, параллельно входному окну 3, располагается коллодиевая пленка 5 со сквозной пористостью, с нанесенным на нее, и термически развязанным от стенок расширительной камеры 6, металлическим поглощающим элементом 4 в виде тонкой пленки металла с малой теплоемкостью, например висмут либо свинец. Расширительная камера 6 отделена от компенсационной камеры 15 гибкой мембраной из однослойного графена 9, выполненная из однослойного графена SLG (Single-Layer Graphene) и на которой дополнительно выполнена с краевой перфорацией с микроотверстиями с возможностью пневматической связи расширительной камеры 6 и компенсационной камеры 15. Для обеспечения электрического контакта гибкой мембраной из однослойного графена 9 с шайбовидной перегородкой 17 выполнено напыление тонкого металлического слоя, в виде обрамляющего контактного кольца 7 для герметизации расширительной камеры, например, напыление выполнено из подстилающего слоя золота. Предварительное напряжение растяжения гибкой мембраны из однослойного графена 9 и герметизация обеспечиваются силами Ван дер Ваальса и определяются площадью контактного кольца 7. Колебания гибкой мембраны из однослойного графена 9 преобразуются в электрический сигнал с помощью туннельного датчика перемещений, «плоским» электродом которого является колеблющаяся гибкой мембраны из однослойного графена 9, а анодом игольчатый неподвижный туннельный электрод 11 с выводом 13 неподвижного туннельного электрода. На внутренней торцевой поверхности компенсационной камеры 15 параллельно гибкой мембране выполнено нанесение кольцевого электрода электростатического актюатора 10 с выводом 14 кольцевого электрода электростатического актюатора. Таким образом, гибкая мембрана из однослойного графена 9 совместно с неподвижным туннельным электродом 11 и кольцевым электродом электростатического актюатора 10 образуют туннельный датчик перемещения. Кроме того, неподвижный туннельный электрод 11 может быть выполнен игольчатым на основе углеродной нанотрубки, либо в виде металлической полусферы, радиус которой много меньше радиуса гибкой мембраны из однослойного графена 9.
Чувствительность оптико-акустического преобразователя определяется как минимальный уровень излучения на входе, допускающий уверенное выделение сигнала на уровне собственных шумов преобразователя и может быть определена как произведение парциальных чувствительностей отдельных звеньев преобразования:
Откуда следует, что оптимизация преобразователя может быть достигнута оптимизацией каждого из звеньев цепи преобразования.
Гибкая мембрана из однослойного графена 9 выполнена из однослойного графена. Графен, толщина одного слоя которого, составляет 0.335 нм, является самым тонким из известных пленочных материалов. Помимо предельно достижимой атомарной толщины, графен имеет ряд предельно высоких значений физических констант. Графен имеет высокую механическую прочность; она соответствует так называемой «теоретической прочности бездефектного твердого тела» и в настоящее время является рекордной (модуль Юнга Е - порядка 1 ТПа), в своем бездефектном виде графен демонстрирует рекордную прочность на растяжение (≈ 130 ГПа) и превосходные упругие свойства (максимальная степень упругой деформации составляет ≈ 25%). Помимо указанного, графен обладает высокой электропроводностью.
Известно, что величина прогиба δ центра гибкой мембраны из однослойного графена 9, закрепленной по контуру, при малых перемещениях под действием давления Р вычисляется по формуле
2
где R - рабочий радиус гибкой мембраны из однослойного графена 9 (по контуру закрепления); h - толщина гибкой мембраны из однослойного графена 9, Е -модуль упругости кГ/см материала гибкой мембраны из однослойного графена 9 и μ - коэффициент Пуассона материала гибкой мембраны из однослойного графена 9.
Из приведенного выражения следует, что идеальная гибкой мембраны из однослойного графена 9 должна сочетать высокую разрывную прочность и низкую изгибную жесткость допускающие деформации при минимально возможной толщине.
Графен является идеальным материалом для изготовления гибкой мембраны из однослойного графена 9 из-за его высокой прочности, его атомной толщины и высокой электропроводности. Низкая жесткость на изгиб имеет решающее значение для чувствительности к отклонению в ответ на изменения температуры газа, заключенного в расширительной камере устройства, а высокая электропроводность мембраны упрощает конструкцию динамического конденсатора. Таким образом, достигается предельная чувствительность заявляемого оптико-акустического приемника инфракрасного и ТГЦ излучения. В табл.1 представлен сравнительный анализ чувствительности мембран оптико-акустических преобразователей, изготовленных из различных материалов и их конструктивные толщины (см. И.С. Гибин, П.Е. Котляр "Гелий-графеновый оптико-акустический преобразователь предельной чувствительности", ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА, №3, 2021 г., стр. 78-84., И.С. Гибин, П.Е. Котляр «Мембраны оптико-акустических приемников излучения ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. 2020. №2. С.90-97), И.С. Гибин, П.Е. Котляр Патент РФ 2746095 С1 "Оптико-акустический приемник инфракрасного и ТГц излучения".
6
5
Как следует из таб.1 чувствительность мембраны из однослойного графена (С) оказывается в 6896,5 раз более чувствительна, чем мембрана из нитрида кремния. С учетом того, что в прототипе на мембрану из нитрида кремния наносится проводящий металлический слой, толщина которого равна толщине мембраны выигрыш по чувствительности составляет 1,38×10. Это позволяет использовать гелиевое заполнение расширительной камеры, что обеспечивает постоянную времени преобразователя 0,6-1,0 мс.
Краевая перфорация переводит гибкую мембрану из однослойного графена в квазигофрированную и обеспечивает достижение следующих целей.
1. Сквозные микроотверстия в мембране обеспечивают выравнивание градиента давления между расширительной и компенсационной камерами для осуществления термо- и барокомпенсации и позволяют отказаться от выполнения капиллярного компенсационного канала, что упрощает конструкцию ОАП.
2. Сквозная краевая перфорация, действуя как краевая гофра, увеличивает прогиб мембраны при заданном давлении за счет локального уменьшения ее жесткости, что обеспечивает дополнительное увеличение чувствительности.
Применение однослойного графена для выполнения гибкой мембраны и гелиевого заполнения камер позволяет создать ОАП, обладающий предельными чувствительностью и быстродействием, и расширить рабочий диапазон преобразователя вплоть до гелиевых температур. Такое устройство приближается по своим характеристикам к идеальному приемнику, ограниченному фотонными шумами.
Туннельный датчик перемещения представляет собой туннельный контакт, образованный неподвижным и подвижным электродами, функционирующий следующим образом. Выходным сигналом ОАП является туннельный ток, возникающий при подаче разности потенциалов V между гибкой мембраной из однослойного графена 9 и неподвижным туннельным электродом 11. Туннелирование носителей заряда - электронов - возможно при величине зазора между туннельными электродами, составляющей единицы или десятки ангстрем. Так как динамический диапазон прогибов гибкой мембраны  на несколько порядков превышает величину туннельного зазора для поддержания туннельного тока используется электростатический актюатор и отрицательная обратная связь, поддерживающая неизменным туннельный зазор. При подаче линейно наростающей разности потенциалов между электродом системы электростатического управления и гибкой мембраной из однослойного графена 9 возникает кулоновская сила, под действием которой гибкая мембрана из однослойного графена 9 деформируется в сторону неподвижного туннельного электрода 11 зазор  уменьшается до появления туннельного тока. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от величины зазора , где V - внешнее напряжение; А и b - константы; Δ - установочный зазор между туннельными электродами;  прогиб гибкой мембраны из однослойного графена 9, соответствующий максимальному значению измеряемых потоков излучения; позволяет осуществлять регулирование расстояния между гибкой мембраны из однослойного графена 9 и неподвижным туннельным электродом 11 с высокой точностью (при изменении туннельного зазора на 1 ангстрем сила тока меняется на порядок). Петля обратной связи состоит из предварительного усилителя, располагаемого вблизи туннельного промежутка для минимизации шумов и наводок, разностного усилителя, фильтра низких частот, оконечного усилителя и электростатического актюатора, регулирующего величину туннельного промежутка. Выходным сигналом устройства является напряжение, подводимое к электростатическому атюратору.
Туннельный гелий-графеновый оптико-акустический приемник инфракрасного и ТГц излучения использует совмещение уникальных возможностей двух разработок: гибкой мембраны с краевой перфорацией с микроотверстиями, выполненной из однослойного графена (SLG), обеспечивающей предельно возможную чувствительность и туннельного датчика перемещения, позволяющего считывать прогибы гибкой мембраной из однослойного графена - 0,01 нм. Таким образом, обеспечивается выполнение технического эффекта заявляемого изобретения.