Твердотельный источник электромагнитного излучения и способ его изготовления Российский патент 2020 года по МПК H01S3/16 

Заявляемые устройство и способ его изготовления относятся к области генерации электромагнитного излучения в том числе терагерцевого (THz) диапазона, а более конкретно к классу квантовых генераторов с токовой накачкой. Тот факт, что THz-излучение не является ионизирующим и в отличие от рентгеновского излучения не наносит вреда организму, делает его весьма перспективным для сканирующих систем безопасности и медицины. Потенциально широкие рабочие полосы привлекают внимание специалистов в связи с возможностью создания суперскоростных систем связи, а длины волн, соизмеримые с типовыми размерами микромира, интересны для решения различных материаловедческих проблем

Известен источник когерентного излучения (лазер) [Osipov V.V., Brutkovski A.M. Heterolaserand light emittingsource of polarized radiation, United Stats Patent, 6993056, Januari 31, 2006], где введен ферромагнитный материал для инжекции спин-поляризованных электронов в слой полупроводника. Механизм излучения возникает за счет электрон-дырочной рекомбинации. Из-за спиновой поляризации электронов излучение поляризовано. Диапазон излучения оптический или ИК.

Известно устройство [Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М., Панас А.И., Крикунов А.И. Твердотельный источник электромагнитного излучения. Патент РФ №2344528, январь 20, 2009 г.] для генерации терагерцевого излучения за счет переходов носителей заряда между спиновыми энергетическими подзонами в ферромагнитных проводящих материалов. Оно выполнено в виде многослойной структуры, содержащей три слоя из ферромагнитных проводящих материалов. Первый слой, являющийся инжектором спин-поляризованных электронов, второй слой - рабочий, где возникает излучение благодаря излучательным переходам носителей зарядов между спиновыми энергетическими подзонами, третий слой для приема отработавших электронов из второго слоя.

Недостаток такого устройства заключается в том, что из-за малости размеров его рабочего слоя (десятки нанометров) через него можно пропускать малые токи (единицы микроампер) даже при достижимой рабочей плотности тока 10⁷-10⁹ А/см², что ограничивает мощность генерации.

Известен твердотельный источник электромагнитного излучения [Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Панас, Э.М. Эпштейн, С.Г Чигарев. Твердотельный источник электромагнитного излучения. Патент №2464683. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 октября 2009 г.], содержащий источник питания, рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, цилиндрический стержень с заостренным концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенный с одним из полюсов источника питания, пластину из проводящего материала со сквозным отверстием, причем контактирующую с рабочим слоем и соединенную с другим полюсом источника питания, диаметр отверстия превышает диаметр стержня, а сам стержень входит в это отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем.

Недостатком устройства является низкая величина предельно допустимого тока - 200-300 мА., что ограничивает мощность излучения. Кроме того, использование одного стержня снижает надежность работы устройства и сокращает его срок службы.

Также известен источник электромагнитного излучения содержащий, рабочий слой и электропроводящие элементы в виде заостренных стержней (патент RU 2.617.732 «Твердотельный источник». МПК H01S 3/16, опубл. 18.12.2015) Устройство содержит рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала. Рабочий слой твердотельного источника расположен на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн. На поверхности рабочего слоя расположена, контактируя с ним, массивная пластина из электропроводящего материала со сквозными отверстиями. В каждое из отверстий вставлен электропроводящий элемент в виде цилиндрическогго ферромагнитного стерженя с заостренным концом так, что острый конец каждого из стержней контактирует с рабочим слоем. Расстояние между осями соседних цилиндрических стержней D должно удовлетворять условию D=n×λ/2>D₁, где n=1, 2, 3, 4… целое число, λ - длина волны излучения, D₁ - диаметр цилиндрического участка стержня. Один полюс источника питания соединен с цилиндрическими стержням, а другой с массивной пластиной с отверстиями.

Однако техническое решение по данному патенту имеет низкую удельную плотность излучения, поскольку число контактов на единицу поверхности устройства невелико из-за значительного диаметра электропроводящих стержней. Это обстоятельство ограничивает мощность излучения, в котором применяется данная структура.

По максимальному числу совпадающих существенных признаков с предлагаемым изобретением данный патент выбран в качестве прототипа.

Технической задачей изобретения является повышение плотности электромагнитного излучения твердотельного источника, а техническим результатом увеличение мощности излучения и повышение надежности его работы.

Указанная техническая задача и технический результат достигаются тем, что в твердотельном источнике электромагнитного излучения, содержащем источник питания, рабочий слой и электропроводящие элементы рабочий слой выполнен в виде трековой мембраны, имеющей сквозные каналы-поры, в которых размещены электропроводящие элементы в виде нанопроволок, состоящих из двух половин, которые выполнены из различных металлов или различных по составу сплавов, отличающихся величиной коэрцитивной силы.

Один конец каждой из нанопроволок контактирует с медным слоем, нанесенным на поверхность противоположную основанию мембраны, а второй конец каждой из нанопроволок контактирует с золотым слоем, нанесенным на поверхность основания мембраны, оба названных слоя непосредственно или через соприкасающиеся с ними металлические пластины подключены к источнику питания.

Трековая мембрана изготовляется из полимерного материала, например, политэтилентерефталата, причем, толщина полимерной пленки составляет от 8 до 15 мкм. В качестве материалов нанопроволок, контактирующих внутри каналов в трековой мембраны, применены пары металлов или сплавов металлов с различной коэрцитивной силой, например, пара Fe-Ni или Ni-Со.

Основным преимуществом изобретения перед прототипом является: использование большого числа контактов до 10⁸ на кв.см., что определяется пористостью мембраны. Данный фактор позволяет увеличить на единице площади количество излучающих электромагнитные волны магнитных переходов, каждая проволока имеет малый диаметр в десятки нанометров, что позволяет получить требуемые для излучения плотности тока в каждом из переходов порядка 10⁵ А/см² при малых токах, протекающих по каждой проволоке, но их большое количество позволяет получать большое интегральное значений рабочего тока.

Известный источник электромагнитного излучения содержащий, рабочий слой и электропроводящие элементы в виде заостренных стержней (патент RU 2.617.732 «Твердотельный источник». МПК H01S 3/16, опубл. 18.12.2015) изготовляется путем механического размещения ферромагнитных стержней в отверстиях пластины из электропроводящего материала. При таком способе изготовления источника электромагнитного излучения невозможно получить высокую удельную плотность излучения.

Предлагаемый способ изготовления электромагнитного излучателя терагерцевого (THz) диапазона позволяет резко увеличить удельную плотность излучения. В соответствии с заявляемым изобретением изготовление источника излучения выполняют в следующей последовательности:

- изготовление трековой мембраны с пористостью 3-10%;

- нанесение на поверхность мембраны, выбранную в качестве основания, слоя золота толщиной 30-70 нм.;

- нанесение поверх слоя золота, покрывающего основание, слоя меди толщиной от 1 до 100 мкм.;

- осаждение в поры мембраны со стороны противоположной основанию первого металла или первого сплава, имеющих первую величину коэрцитивной силы, на половину глубины пор для получения первой половины нанопроволоки;

- осаждение в поры мембраны с той же стороны второго металла или сплава, имеющих величину коэрцитивной силы отличную от величины коэрцитивной силы первого металла или сплава, на вторую, оставшуюся незаполненной, половину глубины пор для получения второй половины нанопроволоки;

- нанесение на сторону мембраны противоположную основанию контактного слоя меди толщиной 1-5 мкм.;

- полное удаление слоя меди с поверхности основания вплоть до открытия поверхности слоя золота.

При этом для изготовления трековой мембраны используют поток ионов инертных газов, например, аргона, ксенона или криптона, с плотностью от 10⁶ до 10⁹ ионов на см². Слой золота на поверхности основания мембраны получают, например, путем термического распыления золота в вакууме. Нанесение металлов или сплавов в поры мембраны осуществляют, например, гальваническим способом, причем нанесение первого металла или сплава осуществляют в ванне с первым электролитом, а нанесение второго металла или сплава осуществляют во второй ванне со вторым электролитом.

Конструкция твердотельного источника электромагнитного излучения и способ его изготовления поясняются на фигурах.

Фиг. 1 - схема устройства

Фиг. 2 блок схема изготовления устройства.

Фиг. 3 Спектр излучаемого сигнала (W - мощность сигнала в относительных единицах, λ - длина волны излучаемого сигнала) в зависимости от интегральной величины тока, протекающего через экспериментальный макет. 1 - спектр Глобара (тепловой инфракрасный источник), 2 - 30 mА, 3 - 82 mА.

Твердотельный источник электромагнитного излучения содержит мембрану 1, в которой выполнены сквозные каналы - поры 2. На одну из горизонтальных плоскостей 3 мембраны 2, которая выбрана в качестве основания, нанесено золотое покрытие 4. На противоположную основанию поверхность мембраны нанесен слой меди 5. Каждая из пор на половину своей высоты заполнена первым металлом или сплавом металлов, обозначенным как субстанция 6, а оставшийся объем каждой поры заполнен вторым металлом или сплавом металлов, обозначенным как субстанция 7. Золотое покрытие 4 и слой меди 5 контактируют каждая соответственно с субстанциями 6 и 7, а так же непосредственно или через контактные пластины подключены к источнику питания 8. Направленное терагерцевое излучение показано стрелками.

Последовательность операций при изготовлении твердотельного источника электромагнитного излучения и способ его изготовления представлены на фиг. 2.

Пример изготовления источника.

В предложенном методе используют трековые мембраны. Последние представляют из себя полимерную пленку с множеством сквозных отверстий-пор. Полимерная пленка - чаще всего полиэтилентерефталат. Возможно также использование поликарбоната, полиимида и некоторых других полимеров. Толщина полимерной пленки составляет от 8 до 15 мкм, обычно - около 10 мкм. Такую пленка облучают потоком тяжелых ионов на ускорителе. Используется облучение различными ионами - преимущественно инертных газов (аргон, ксенон, криптон). Энергия подбирается такой, чтобы ион мог «пробить» всю толщину пленки и выйти наружу. Обычно энергия составляет 1-2 МэВ/нуклон. Инертные газы предпочтительны из-за того, что в том случае, когда ион все же не вышел из пленки, он не был бы химически активным. Плотность облучения («флюэнс» - количество «упавших» ионов на единицу площади) определяется произведением интенсивности потока («флюкс») и времени облучения - она варьируется от 10⁶ до 10⁹ ионов на кв.см, и чаще всего составляет около 10⁸ ионов на кв.см. После облучения образуются т.н. «латентные» (скрытые) треки - области повреждения (деструкции или сшивки) полимера. При последующей обработке такие области могут быть превращены в сквозные поровые каналы за счет растворения областей повреждения. Такое удаление деструктированного полимера производят за счет избирательного травления в активной среде. Чаще всего этот процесс проводится в растворе щелочи (травление в NaOH, (2N или 3N) при температуре 25-30°С и приводит к формированию сквозных поровых каналов. Количество удаленного деструктированного полимера, и соответственно, диаметр образовавшихся пор, зависят от времени травления и варьируются в пределах от 30 нм до 5 мкм. Особенностью таких пор-каналов является то, что их разброс по размерам весьма мал - обычно не более 5%. Другой особенностью является их хаотическое, неупорядоченное расположение. Полученные пленки с множеством пор называются «трековыми мембранами» (ТМ) или «ядерными фильтрами». Используются такие ТМ для тонкой фильтрации в медицине, биологии и пищевой промышленности. Другим направлением их использования является упомянуты в начале матричный синтез.

Следующей операцией является заполнение пор ТМ могут быть разными - химический, электрохимический и «физический» (механическое вдавливание вещества в пору или запыление пор). Электрохимический метод имеет наибольшие возможности и является наиболее распространенным.

Процесс электроосаждения (электрохимический метод-, гальваническое осаждение): процесс, при котором под воздействием электрического тока происходит осаждение ионов вещества на один из электродов. В данном случае используется катодное осаждение анионов, металлов группы железа.

Металлизация необходима для создания проводящей поверхности - «катода» непосредственно на одном конце пор. Такая металлизация одной стороны ТМ осуществляется с помощью термического распыления золота в вакууме. После этого проводится дополнительно электрохимическое осаждения меди на этот слой (с той же стороны) - для получения толстого слоя (основание).

Для осаждения в поры нескольких металлов или сплавов возможно применение двух способов: однованнового и «нескольких ванн». В первом способе осаждение проводится из одного электролита, в состав которого входят ионы нескольких осаждаемых материалов (однованновый метод или метод разных потенциалов). Для получения гетероструктур в этом случае применяют чередование импульсов различного напряжения и различной длительности. Таким образом, изменяя потенциал процесса, можно создавать условия осаждения либо только одного типа ионов (при низком потенциале, превосходящем потенциал осаждений только одного металла) или обоих ионов (при потенциале, превосходящем потенциал осаждения обоих металлов). Во втором случае получается состав, включающий оба металла (сплав). Получение максимально «чистого» второго металла может быть достигнуто за счет варьирования концентрации. Уменьшая концентрацию первого металла в ростовом растворе можно достичь уменьшения его содержания в «осадке». Однако при этом придется соответственно увеличивать время осаждения первого металла при низком потенциале.

Потенциал осаждения часто подбирается опытным путем для каждого электролита и каждого отдельно осаждаемого иона в растворе. Однако необходимо учитывать, что слишком маленький потенциал осаждения сильно увеличивает время осаждения, а значительное увеличение потенциала приводит к дефектности структуры получаемых нанопроволок (НП) и образованию дендритов. Изменяя длительность импульса можно изменять толщину слоев в получаемой гетероструктурной НП. В целом применяя «однованновый метод» получить гетероструктурные НП, слои которых состоят из чистых металлов, невозможно. В связи с этим предложено использовать метод двух ванн

Предлагаемый способ - метод нескольких электролитов (нескольких (двух) ванн). В этом случае каждая часть нанопроволоки осаждается из своего электролита, содержащего ионы только одного метала. Это дает возможность получать массив из нанопроволок из двух чистых металлов, исключая возможность образования их сплавов. Данный метод заключается в последовательной смене двух электролитов. При этом рост каждой части нанопроволоки проходит в электролите, имеющем ионы только осаждаемого метала. Недостатком метода является необходимость смены электролита при переходе к росту другого слоя.

Однако в случае небольшого количества слоев такой подход представляется оправданным.

Для электроосаждения магнитных металлов (металлы группы железа) были использованы электролиты на основе сернокислых солей соответствующих металлов. Для осаждения железа использовался электролит следующего состава: Н₃ВО₃ - 45 г/л; FeSO₄⋅7H₂O - 120 г/л; + стабилизирующие добавки до получения рН=2.3.

Для осаждения Ni применялся электролит следующего состава: NiSO₄⋅7H2O - 250 г/л; NiCl⋅6H₂O - 30 г/л Н₃ВО₃ - 30 г/л.

Для осаждения Co применялся электролит следующего состава: CoSO₄⋅7H₂O - 320 г/л Н₃ВО₃ - 40 г/л

Таким образом, были получены нанопроволоки состоящие всего из двух слоев (двух частей) Получены нанопроволоки со следующими сочетаниями металлов: Fe-Ni, Fe-Co и Ni-Co. Особенностью каждой из нанопроволок является то, что каждая из ее частей образована металлами (сплавами), которые отличаются по магнитным свойствам- по коэрцитивной силе и удельной намагниченности. Завершающей операцией изготовления источника является полное удаление технологического слоя меди с поверхности основания мембраны.

Слой золота на основании мембраны и медный слой на противоположной стороне мембраны непосредственно или через электропроводящие контактные пластины подключались к источнику тока.

К этим контактам подводилось регулируемое напряжение. Возникающее при этом терагерцевое излучение регистрировали стандартными методами: ячейкой Голея в качестве регистрирующего детектора или при исследовании спектра сигнала на Фурье спектрометром Vertex 80v.

На фиг. 3 показан экспериментально полученный спектр излучаемого сигнала (W - мощность сигнала в относительных единицах, λ - длина волны излучаемого сигнала) в зависимости от интегральной величины тока, протекающего через испытуемый образец источника излучения. На фиг. 3 кривая 1 - спектр Глобара (тепловой инфракрасный источник), кривая 2 - 30 mА и кривая 3 - 82 mА.

Возможность получения в спининжекционных излучателях, использующих рабочую область из массива нанопроволок, сигнал в десятки и сотни милливатт позволяет рассматривать их как наиболее перспективные источники ТГц сигнала для межспутниковой связи в космосе. Это особенно актуально в связи с работами по созданию разветвленной спутниковой группировки в околоземном пространстве в виде радиосвязанных между собой отдельных спутников.

Результаты проведенных испытаний показали возможность использования массива нанопроволок в качестве рабочего элемента спининжекционных излучателей для увеличения мощности их излучения, что свидетельствует о целесообразности промышленного внедрения предлагаемого источника терагерцевого излучения с массивом нанопроволок.

Использование: для генерации излучения терагерцевого (THz) диапазона. Сущность изобретения заключается в том, что твердотельный источник электромагнитного излучения содержит источник питания, рабочий слой и электропроводящие элементы, в котором рабочий слой выполнен в виде трековой мембраны, имеющей сквозные каналы-поры, в порах размещены электропроводящие элементы в виде нанопроволок, состоящих из двух половин, которые выполнены из различных металлов или различных по составу сплавов, отличающихся величиной коэрцитивной силы, один конец каждой из нанопроволок контактирует с медным слоем, нанесенным на поверхность, противоположную основанию мембраны, а второй конец каждой из нанопроволок контактирует с золотым слоем, нанесенным на поверхность основания мембраны, оба названных слоя непосредственно или через соприкасающиеся с ними металлические пластины подключены к источнику питания. Технический результат: обеспечение возможности увеличения мощности излучения и повышения надежности. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Твердотельный источник электромагнитного излучения, содержащий источник питания, рабочий слой и электропроводящие элементы, отличающийся тем, что рабочий слой выполнен в виде трековой мембраны, имеющей сквозные каналы-поры, в которых размещены электропроводящие элементы в виде нанопроволок, состоящих из двух половин, которые выполнены из различных металлов или различных по составу сплавов, отличающихся величиной коэрцитивной силы, один конец каждой из нанопроволок контактирует с медным слоем, нанесенным на поверхность, противоположную основанию мембраны, а второй конец каждой из нанопроволок контактирует с золотым слоем, нанесенным на поверхность основания мембраны, оба названных слоя непосредственно или через соприкасающиеся с ними металлические пластины подключены к источнику питания.

2. Твердотельный источник терагерцевого излучения по п. 2, отличающийся тем, что трековая мембрана изготовлена из полимерного материала, например полиэтилентерефталата.

3. Твердотельный источник терагерцевого излучения по п. 2, отличающийся тем, что толщина полимерной пленки составляет от 8 до 15 мкм.

4. Твердотельный источник терагерцевого излучения по п. 2, отличающийся тем, что в качестве материалов нанопроволок, контактирующих внутри каналов в трековой мембраны, применены пары металлов или сплавов металлов с различной коэрцитивной силой, например, пара, Fe-Ni и Ni-Co.

5. Способ изготовления источника по п. 1, включающий следующую последовательность операций:

изготовление трековой мембраны с пористостью 3-10%;

нанесение на поверхность мембраны, выбранную в качестве основания, слоя золота толщиной 30-70 нм;

нанесение поверх слоя золота, покрывающего основание, слоя меди толщиной от 1 до 100 мкм;

нанесение в поры мембраны со стороны, противоположной основанию, первого металла или первого сплава, имеющего первую величину коэрцитивной силы, на половину глубины пор для получения первой половины нанопроволоки;

нанесение в поры мембраны с той же стороны второго металла или сплава, имеющего величину коэрцитивной силы, отличную от величины коэрцитивной силы первого металла или сплава, на вторую, оставшуюся незаполненной, половину глубины пор для получения второй половины нанопроволоки;

нанесение на сторону мембраны, противоположную основанию, контактного слоя меди толщиной 1-5 мкм;

полное удаление слоя меди с поверхности основания вплоть до открытия поверхности слоя золота.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что при изготовлении трековой мембраны используют поток ионов с плотностью от 10⁶ до 10⁹ ионов на см².

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что используют ионы инертных газов, например аргона, ксенона или криптона.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что слой золота на поверхности основания мембраны получают путем термического распыления золота в вакууме.

9. Способ по п. 5, отличающийся тем, что нанесение металлов или сплавов в поры мембраны осуществляют гальваническим способом, причем нанесение первого металла или сплава осуществляют в ванне с первым электролитом, а нанесение второго металла или сплава осуществляют во второй ванне со вторым электролитом.