隙電漿子增強之氮化鈮超導光子偵測器的開發與應用

Abstract

超導光偵測器由於有極低的暗計數及極短的時間抖動，因此擁有卓越的偵測表現。然而大多數文獻探討的偵測器僅在優化近紅外光波段，可見光的研究鮮少被研究。另一方面，超導奈米線單光子偵測器由於具有高於微米線的內秉偵測效率，在過去十年已被廣泛研究，但考量到低動感與光纖耦合率高等特性，微米線亦有發展的必要。 在本論文中，我們利用超高真空射頻磁控濺鍍機，並在800 ºC 的基板溫度下成長出以氧化鎂為基板的氮化鈮薄膜，其具有高品質的晶相。此外，我們發現由於在濺鍍過程中，氮化鈮薄膜超導性會受到氬氮氣流比、靶材種類、射頻功率、成長溫度以及成長基板影響，藉由調整以上參數，我們優化氮化鈮的金屬性及超導性(相變溫度達到15.5 K)。我們利用橢圓偏光儀、X射線光電子光譜、原子力顯微鏡、穿透式電子顯微鏡、X射線干涉圖形以及超導量子干涉元件來測定氮化鈮薄膜的品質。 為了增加光偵測力，我們在氮化鈮微米線上加上5奈米的氧化鋁及銀的奈米立方共振器形成隙電漿子，其共振波段設定在可見光區域，超導態在可見光入射下，將因為被局域強場的破壞，而提高光偵測力。此外我們利用時域有限差分計算奈米立方的場分布，並發現為入射光波長532奈米時，邊長40奈米、厚度30 奈米的銀顆粒在邊緣有很強的電漿共振。因此，藉由增加有隙電漿共振的奈米結構，光子的響應在9 K被推廣至可見光波段，特別在入射光波長為532奈米，其中最小可偵測到的光強為4.4奈瓦特。最後我們將進一步討論其機制及在氮化鈮超導單光子偵測器上應用的潛力，如大偵測面積及偏振無關性等。