Твердотельный источник электромагнитного излучения

Изобретение предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения, в том числе и в диапазоне терагерцевых частот. Твердотельный источник электромагнитного излучения содержит рабочий слой, выполненный из электрически проводящего материала и расположенный на поверхности подложки из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для генерируемого излучения, и два электрода, контактирующие с рабочим слоем. На подложке в области между электродами нанесены не контактирующие между собой столбики из проводящего материала, отличающегося от материала рабочего слоя. При этом рабочий слой нанесен на поверхность столбиков и поверхность подложки, свободную от столбиков. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности работы, увеличения мощности излучения, а также в повышении долговечности и надежности работы. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Заявляемое устройство предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения в диапазоне терагерцевых частот. Устройство позволяет также генерировать излучение в соседних диапазонах частот: субмиллиметровом и дальнем инфракрасном. По своему принципу действия и по протекающим в нем физическим процессам его можно отнести к таким быстро развивающимся направлениям современной электроники, как спинтроника и фотоника.

Миниатюрные твердотельные инжекционные лазеры появились в 1960-70 г.г. (см., например [Физическая энциклопедия. Т. 1, статья «Гетеролазер», с. 445-446. М.: Советская энциклопедия, 1968, Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров, М.: 1983]). В них применяют полупроводниковые материалы. Они удобны тем, что накачка осуществляется током, который инжектирует носители зарядов в рабочий слой и создает в нем неравновесное по энергетическим уровням распределение с отрицательной эффективной температурой. Инжекция происходит через границу раздела двух различных полупроводниковых материалов. Например, электроны, инжектируемые в дырочный материал, рекомбинируют с излучением в оптическом или ИК диапазонах. Частота излучения зависит от применяемых полупроводниковых материалов. Устройства могут работать при комнатных температурах.

Известен лазер [Osipov V.V., Brutkovski A.M., Heterolaser and light emitting source of polarized radiation, United Stats Patent, 6993056, Januari 31, 2006], где введен ферромагнитный материал для инжекции спин-поляризованных электронов в слой полупроводника. Механизм излучения, как и выше, возникает за счет электрон-дырочной рекомбинации. Отличие только в том, что из-за спиновой поляризации электронов излучение поляризовано. Диапазон излучения оптический или ИК.

В настоящее время особый интерес вызывает освоение терагерцевого диапазона частот (1012-1013 Гц) электромагнитных колебаний. Освоение данного диапазона тормозится из-за отсутствия простых и надежных источников такого излучения. Между тем, этот диапазон интересен для применений в диагностике сред, биологии, медицине, для радиосвязи в космосе и во многих других областях.

Известно устройство [Kadigrobov A., Ivanov Z., Claeson Т., Shekhter R.I., Jonson M., Gigant lasing effect in magnetic nanoconductors, Europhys. Lett., v. 67(6), 946-954, 2004] для генерации терагерцевого излучения за счет переходов носителей заряда между спиновыми энергетическими подзонами в ферромагнитных проводящих материалах. Оно выполнено в виде многослойной структуры, содержащей три слоя из одного ферромагнитного проводящего материала. Первый слой, являющийся инжектором спин-поляризованных электронов, второй слой - рабочий, где и возникает излучение благодаря излучательным переходам носителей зарядов между спиновыми энергетическими подзонами, и третий слой для приема отработавших электронов из второго слоя. Недостаток такого устройства заключается в том, что из-за применения одинакового материала для всех слоев в его рабочем слое нельзя создать высокого уровня спиновой инжекции носителей заряда при достижимой рабочей плотности тока 107-109 А/см2.

Известен твердотельный источник терагерцевого излучения [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.], в котором указанный недостаток преодолевается за счет использования в устройстве слоев из различных ферромагнитных материалов. Первый слой из ферромагнитного проводящего материала (первый электрод) - являющийся инжектором спин-поляризованных электронов. Он контактирует со вторым слоем из ферромагнитного проводящего материала (рабочим слоем). Третий слой выполнен из проводящего материала (второй электрод) и контактирует с рабочим слоем. Для достижения необходимой плотности тока 107-109 А/см2, требуемой для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, многослойная структура в таком устройстве выполнена в виде столбика с габаритными размерами, и, в частности, периметром границы рабочего слоя, в десятки нанометров. Это не позволяет пропускать через такую структуру больших абсолютных величин тока в сотни миллиампер, что, в свою очередь, не дает возможности получить в подобном устройстве достаточно больших для практического применения уровней мощности, а также ухудшает его работоспособность и надежность.

Из числа известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является твердотельный источник электромагнитного излучения [Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Панас, Э.М. Эпштейн, С.Г Чигарев. Твердотельный источник электромагнитного излучения. ПАТЕНТ на изобретение №2464683. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 октября 2009 г.], содержащий рабочий слой, выполненный в виде пленки из электропроводящего ферромагнитного материала, первый электрод из проводящего ферромагнитного материала с намагниченностью, отличающейся от намагниченности материала рабочего слоя, контактирующий с этим слоем, и второй электрод из проводящего материала, контактирующий с рабочим слоем. Рабочий слой расположен на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для генерируемого излучения, второй электрод расположен на поверхности рабочего слоя и выполнен в виде массивной пластины с отверстием, а первый электрод в виде острого стержня вставлен в отверстие упомянутой пластины, так что его острие находится в контакте с рабочим слоем. В таком твердотельном источнике электромагнитного излучения ток, протекая от первого электрода ко второму, только один раз пересекает границу раздела областей с различной намагниченностью, то есть активную границу, где создаются условия для генерации, электромагнитного излучения. Активная граница расположена в рабочем слое по границе торца острия стержня. Таким образом, свободные электроны потока только однократно участвуют в процессе передачи энергии от источника питания в электромагнитное излучение, что снижает эффективность энергоотбора и уменьшает мощность излучения. Кроме того, механический контакт стержня с рабочим слоем «на прижим» снижает надежность работы твердотельного источника.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении эффективности энергоотбора, увеличения мощности электромагнитного излучения твердотельного источника и увеличении надежности его работы в рабочем диапазоне частот, в частности в терагерцевом диапазоне.

Указанная задача решается тем, что в твердотельном источнике электромагнитного излучения, содержащем рабочий слой, выполненный из электрически проводящего материала и расположенный на поверхности подложки из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для генерируемого излучения, и два электрода, контактирующих с рабочим слоем, на подложке между электродами расположены не контактирующие между собой столбики из проводящего материала, отличающегося своими свойствами от материала рабочего слоя, а рабочий слой нанесен на поверхность столбиков и поверхность подложки, свободную от столбиков.

Для достижения указанной цели возможно использовать различные материалы для изготовления столбиков и рабочего слоя. Так рабочий слой и столбики могут быть выполнены из ферромагнитного материала, при этом собственная намагниченность материала рабочего слоя должна быть отлична от собственной намагниченности материала столбиков.

Возможен вариант, когда рабочий слой выполнен из немагнитного или антиферромагнитного материала или рабочий слой выполнен из магнитного материала, а столбики из немагнитного или антиферромагнитного материала.

Возможна различная конфигурация рабочего слоя в плане. Так, например, рабочий слой может быть выполнен в виде полоски, при этом электроды расположены на противоположных концах этой полоски. Возможна и иная конфигурация, например, рабочий слой выполнен в виде диска, при этом один электрод расположен в его центре, а другой на границе диска.

Изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображена конструкция устройства с рабочим слоем в виде полоски. Фиг. 1а - вид сверху, фиг. 1б - вид с боку в разрезе. На фиг. 2 изображена конструкция устройства с рабочим слоем, выполненным в виде диска. Фиг. 2а - вид сверху, фиг. 2б - вид сбоку в разрезе. На фиг. 3 изображен один из возможных вариантов твердотельного источника электромагнитного излучения с резонатором (сечение вид сбоку).

Предложенный твердотельный источник электромагнитного излучения содержит подложку 1 (фиг. 1) из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для генерируемого излучения, столбики 2 из ферромагнитного, антиферромагнитного или немагнитного материала, рабочий слой 3 из ферромагнитного, антиферромагнитного или немагнитного материала, отличного от материалов столбиков, нанесенный на поверхность столбиков 2 и поверхность подложки 1, свободную от столбиков 2, два электрода 4, контактирующие с рабочим слоем 3, служащие для подачи напряжения от источника питания на рабочий слой 3. Столбики имеют поперечные размеры от 20 до 100 нм и высоту порядка 5-30 нм. Рабочий слой 3 выполнен в виде полоски. Электроды 4 выполнены в виде прямоугольников и расположены на противоположных концах полоски рабочего слоя 3. Конструкция, показанная на фиг. 2, отличается от конструкции, описанной выше тем, что рабочий слой 3 (фиг. 2) выполнен в виде диска, при этом один электрод 4 расположен в центре диска, а другой - на его границе.

На фиг. 3 изображен один из вариантов размещения источника электромагнитных колебаний в резонаторе. Здесь твердотельный источник электромагнитного излучения помещен в резонатор, образованный двумя частично или полностью отражающими генерируемое излучение пленками 5 и 6. Пленка 5 расположена на поверхности подложки 1 со стороны, противоположной рабочему слою. Пленка 6 нанесена на подложку 7 из того же материала, что и подложка 1. Подложка 7 расположена со стороны рабочего слоя 3 над ним.

Работу предлагаемого устройства рассмотрим на примере, когда рабочий слой 3 и столбики 2 выполнены из магнитного материала. В этом случае устройство работает следующим образом. При подаче на электроды 4 напряжения от источника питания в рабочем слое 3 возникает поток свободных электронов. Спины электронов, движущиеся в рабочем слое 3, ориентируются по или против направления намагниченности слоя 3 - M1 так, что выполняется условие

где - величина равновесной спиновой поляризации для ферромагнетика рабочего слоя, n+, n- концентрация свободных электронов, ориентированных по направлению вектора намагниченности рабочего слоя 3 М1 (индекс +) и против вектора намагниченности М1 (индекс -). Таким образом спины электронов разделяются по спиновым энергетическим подзонам так, что электроны со спинами, ориентированными параллельно направлению намагниченности слоя 3 занимают низшую энергетическую подзону, их количество больше чем количество электронов со спинами, направленными антипараллельно направлению намагниченности рабочего слоя 3. Эти электроны занимают высшую спиновую энергетическую подзону. При этом в равновесии подзоны имеют общий уровень Ферми, но их дно раздвинуто на величину Δ, пропорциональную величине М1. При переходе из рабочего слоя 3 с собственной намагниченностью М1 в столбик 2, имеющий собственную намагниченность М2, электроны оказываются в среде с иной намагниченностью по величине М2 или по величине и направлению вектора М2. При этом раздвижка дна подзон изменяется, становясь пропорциональной величине намагниченности ΔM=(М12) в случае различия только величины намагниченностей рабочего слоя 3 и столбика 2, либо ΔM=(М1+M2) в случае изменения и величины и направления намагниченностей. В течение времени спиновой релаксации τ порядка 10-12-10-13 с концентрация электронов по энергетическим подзонам соответствующая равновесной спиновой поляризации рабочего слоя 3 сохраняется, а раздвижка дна подзон, пропорциональная ΔM, изменяется, что приводит к образованию в столбиках 2 квазиуровней Ферми в спиновых подзонах. При этом в обоих случаях возникает условие, когда большее количество электронов находится в энергетически возбужденном состоянии, а меньшее - в состоянии с наименьшей энергией. Это приводит к инверсной заселенности спиновых энергетических подзон. В течение времени спиновой релаксации под внешним воздействием энергетически возбужденные электроны переходят в невозбужденное состояние с излучением кванта энергии. Излучение распространяется в пространство непосредственно с поверхности рабочего слоя 3 из области контактов столбиков 2 с ним, либо через подложку 1. На всех рисунках излучение показано стрелками. При своем движении от одного электрода к другому электроны многократно пересекают границы раздела двух магнитных сред: рабочего слоя 3 и столбика 2, то есть одна и та же группа электронов многократно участвует в процессе излучения, что увеличивает эффективность энергоотбора и мощность излучения.

В случае, когда либо рабочий слой, либо столбики выполнены из немагнитного материала, образование квазиуровней Ферми с инверсной заселенностью уровней подзон связано с тем, что раздвижка дна подзон в немагнитном материале ΔM=0. Переход электронов в ферромагнитную среду, где ΔM≠0 приводит также к образованию квазиуровней Ферми с инверсной заселенностью, то есть к появлению энергетически возбужденных электронов. Переход электронов из возбужденного состояния в невозбужденное состояние также связано с излучением электроном кванта энергии.

При использовании антиферромагнитного материала для изготовления рабочего слоя 3 или столбиков 2 источник работает аналогично описанному выше механизму. Более подробно этот механизм рассмотрен в следующей работе [(Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., С.И. Касаткин, Г.М. Михайлов, С.Г. Чигарев. Наблюдение терагерцевого излучения в структуре ферромагнетик-антиферромагнетик. // РЭ. 2013, том 58, №7, с. 1-4)].

Желательно столбики 2 изготавливать из материала с электрическим сопротивлением меньшим, чем сопротивление рабочего слоя 3. Это позволяет пропускать через границу раздела рабочий слой 3 - столбик 2 большее количество свободных электронов. Действительно, участок структуры излучателя, включающего столбик 2 и область рабочего слоя 3, окружающего его, можно рассматривать как параллельно соединенные сопротивления. Через меньшее сопротивление, в нашем случае столбик 2, течет больший ток, чем через большее сопротивление - участок рабочего слоя 3, окружающий столбик 2. Во всех рассмотренных случаях синхронизация излучения различными столбиками 2 не обеспечивается, что снижает эффективность работы устройства.

Для обеспечения синхронизации излучения отдельными столбиками 2 источник электромагнитного излучения помещается в объем резонатора, например в объем резонатора Фабри-Перо. В резонаторе возбуждаются электромагнитные колебания на фиксированной частоте, соответствующей его собственным колебаниям. При этом часть мощности излучения этой частоты отражается от отражателей 5 и 6 (фиг. 3) и попадает в область контактов рабочего слоя 3 и столбиков 2, где формируется излучение уже под воздействием фиксированной частоты, соответствующей собственной частоте резонатора. Это приводит к генерированию излучения на фиксированной частоте, что и многократно увеличивает мощность излучения.

1. Твердотельный источник электромагнитного излучения, содержащий

- рабочий слой, выполненный из электрически проводящего материала и расположенный на поверхности подложки из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для генерируемого излучения,

- два электрода, контактирующие с рабочим слоем,

отличающийся тем, что на подложке в области между электродами нанесены не контактирующие между собой столбики из проводящего материала, отличающегося от материала рабочего слоя, при этом рабочий слой нанесен на поверхность столбиков и поверхность подложки, свободную от столбиков.

2. Твердотельный источник электромагнитного излучения по п. 1, отличающийся тем, что рабочий слой и столбики выполнены из ферромагнитного материала, при этом собственная намагниченность материала рабочего слоя отлична от собственной намагниченности материала столбиков.

3. Твердотельный источник электромагнитного излучения по п. 1, отличающийся тем, что рабочий слой выполнен из немагнитного или антиферромагнитного материала.

4. Твердотельный источник электромагнитного излучения по п. 1, отличающийся тем, что рабочий слой выполнен из магнитного материала, а столбики из немагнитного или антиферромагнитного материала.

5. Твердотельный источник по п. 1, отличающийся тем, что рабочий слой выполнен в виде полоски, при этом электроды расположены на противоположных концах этой полоски.

6. Твердотельный источник по п. 1, отличающийся тем, что рабочий слой выполнен в виде диска, при этом один электрод расположен в его центре, а другой - на границе диска.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к способам получения новых прозрачных консолидированных функциональных материалов (керамик) с высокими механическими характеристиками для фотоники и лазерной техники.

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к способам получения новых прозрачных консолидированных функциональных материалов (керамик) с высокими механическими характеристиками для фотоники и лазерной техники.

Способ вывода из осаждённого из газовой фазы алмаза электромагнитного излучения центров окраски, в котором у поверхности алмазного образца формируется собирающая излучение центров окраски оптическая система, состоящая из конуса с круглым основанием из оптического стекла, окружающего конус конического зеркала и собирающей линзы.

Способ вывода из осаждённого из газовой фазы алмаза электромагнитного излучения центров окраски, в котором у поверхности алмазного образца формируется собирающая излучение центров окраски оптическая система, состоящая из конуса с круглым основанием из оптического стекла, окружающего конус конического зеркала и собирающей линзы.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллических материалов для лазерной техники, предназначенных для модуляции добротности лазерного излучения (пассивным лазерным затворам - ПЛЗ).

Изобретение относится к технологии получения монокристаллических материалов для лазерной техники, предназначенных для модуляции добротности лазерного излучения (пассивным лазерным затворам - ПЛЗ).

Изобретение относится к материалам детекторов для регистрации ионизирующего излучения, а также может быть использовано как оптический материал для ИК-оптики, лазерной техники, акустооптики.

Изобретение относится к ИК-оптике, а именно к созданию лазерных сред, и касается разработки способа получения легированных халькогенидов цинка для перестраиваемых твердотельных лазеров, используемых, в частности, в медицине и биологии.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с оптической накачкой включает оптически связанные источник излучения накачки, активный материал, резонатор, входное окно для ввода излучения накачки и выходное окно для вывода излучения наружу.

Изобретение относится к ИК-оптике, а именно к созданию лазерных сред, и касается технологии получения легированных переходными металлами халькогенидов цинка в качестве активной среды или пассивного затвора для твердотельных лазеров.

Изобретение относится к квантовой электронике. Активный материал для мазера с оптической накачкой содержит кристалл карбида кремния, содержащего парамагнитные вакансионные дефекты.

Изобретение относится к квантовой радиофизике, более конкретно к твердотельным квантовым генераторам, генерирующим сигналы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах (30 - 1500 ГГц) и может быть использовано в физике для радиоспектроскопии, для коммуникационных технологий, в радиоастрономии и локации, в биологии и химии.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к квантовым усилителям, и предназначено для использования в системах СВЧ. .

Мазер // 1704205
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к твердотельным квантовым усилителям. .

Изобретение относится к электротехнике. Аппаратура содержит подложку гнездового разъема, имеющую первую сторону и вторую сторону, противоположную первой стороне, отверстие, проходящее сквозь подложку гнездового разъема, электрический контакт, расположенный в отверстии и конфигурированный для передачи электрических сигналов между первой стороной и второй стороной подложки гнездового разъема, этот электрический контакт имеет консольный участок, проходящий за пределы первой стороны, где первая сторона и поверхности подложки гнездового разъема в отверстии покрыты металлом.

Сборка многокристального корпусированного прибора, содержащая первичный прибор и по меньшей мере один вторичный прибор, присоединенные в виде планарной матрицы к подложке, первый пассивный теплообменник, содержащий основание теплового радиатора и структуру ребер, расположенные на первичном приборе и имеющие отверстие над областью, соответствующей по меньшей мере одному вторичному прибору, второй пассивный теплообменник, содержащий основание теплового радиатора и структуру ребер, расположенные в отверстии по меньшей мере на одном вторичном приборе, по меньшей мере одну первую пружину для приложения усилия к первому теплообменнику в направлении первичного прибора и по меньшей мере одну вторую пружину для приложения усилия ко второму теплообменнику в направлении вторичного прибора.

Изобретение относится к устройствам защиты электронных модулей (элементов) от тепловых и механических перегрузок в условиях аварийных ситуаций. Устройство защиты электронных модулей предусматривает предохранение электронных компонентов от тепловых перегрузок путем комбинации конструктивных слоев защиты, вложенных друг в друга.

Изобретение предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения, в том числе и в диапазоне терагерцевых частот. Твердотельный источник электромагнитного излучения содержит рабочий слой, выполненный из электрически проводящего материала и расположенный на поверхности подложки из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для генерируемого излучения, и два электрода, контактирующие с рабочим слоем. На подложке в области между электродами нанесены не контактирующие между собой столбики из проводящего материала, отличающегося от материала рабочего слоя. При этом рабочий слой нанесен на поверхность столбиков и поверхность подложки, свободную от столбиков. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности работы, увеличения мощности излучения, а также в повышении долговечности и надежности работы. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх