MgB2超导纳米线单光子探测器的制备及光子响应特性研究

新型超导纳米线单光子探测技术具有高计数率、低暗记数等优点，在物理、生物、光纤通讯和量子信息等众多领域有重要应用前景。但目前的NbN超导纳米线单光子探测器需工作于1.5-4K，依赖昂贵的液氦或多级低温制冷机，不利于超导单光子探测的大规模应用。相对照，具有高超导临界温度的MgB2可在20K温区进行单光子探测，无需液氦制冷。因此实现基于MgB2的超导纳米线单光子探测器将可降低探测成本，提高系统集成度，促进超导单光子探测技术的广泛应用。本项目拟应用目前生长MgB2薄膜最有效的混合物理化学气相沉积法制备超薄的MgB2薄膜，进而运用微纳米加工手段制备MgB2超导纳米线，然后应用先进的单光子源研究其光子响应特性、辨别其单光子探测机制。同时，将研究MgB2纳米线中的低维度和小尺度效应及它们与器件光子探测性能间的关系。本项目密切结合国家重大需求，将为我国在此方向上的自主创新提供必要的研究基础和关键技术储备。

超导纳米线单光子探测器在光纤通讯和量子信息等领域获得了重要应用，受到人们越来越多的关注。为进一步提高器件的工作温度，以降低探测成本和拓展其应用范围，使用超导转变温度（Tc）更高的超导材料来制备超导纳米线单光子探测器是目前国际上的研究热点。在此背景下，本项目以探索研制基于MgB2的超导单光子探测器为主线，开展了超薄MgB2超导薄膜的生长及超导纳米线的制备、MgB2薄膜及纳米线的超导特性测量、以及MgB2纳米线的光子响应测试等方面的研究，获得了如下一些主要成果。首先，利用混合物理化学气相沉积法，我们在SiC、Al2O3及MgO等三种不同衬底上都制备出了厚度在10纳米左右的超薄MgB2薄膜，薄膜的Tc达到约36K，高于国际上其他小组采用其它方法制备的超薄MgB2薄膜的Tc值（约22K），为目前文献报道的最好水平。这为我们研制更高工作温度的超导单光子探测器提供了先决条件和关键优势。其次，探索、发展了超薄MgB2薄膜的微纳米加工工艺，制备出了不同宽度的MgB2超导微桥和纳米线。MgB2纳米线的宽度可低至200纳米，其在10K时的超导临界电流密度（Jc）可达10^8A/cm2。这为制备实用的MgB2超导纳米线单光子探测器提供了相关的技术储备。第三，对超薄MgB2薄膜和纳米线的相关超导特性进行了比较系统的研究：（1）发现超薄MgB2薄膜中的超导电性压制主要来源于薄膜中的无序效应和超导邻近效应，解释了不同文献报道的超薄MgB2薄膜的Tc之间的差异，也为进一步提高超薄MgB2薄膜的质量提供了指引。（2）提出了通过磁阻测量来准确地确定MgB2超导涨落电导的新方法，发现了MgB2薄膜的涨落电导随温度变化的新特征，通过在超导涨落谱中引入能量截止点合理地解释了其在较高温度下的快速衰减。（3）考察了MgB2超导微桥和纳米线的Jc随温度和磁场的变化，分析了磁场对Jc的压制等物理问题。（4）从实用的角度，考察了超薄MgB2薄膜在不同存放环境下的稳定性和退化问题，发现在低真空条件下存放4个月之后薄膜的性能仍基本不变，这一结果对MgB2薄膜的器件应用有切实的参考价值。第四，我们自主搭建了一套包含光源及光路、检测电路、及样品台和低温测试环境的超导单光子测试系统，初步开展了MgB2纳米线的光子响应测试，从而为进一步研究MgB2纳米线的光子探测机制及开发实用的MgB2超导单光子探测系统奠定了基础。