Реферат: Магнитометры

Московский государственный институт электроники иматематики

(технический университет)

Курсовая работа

для представления на кафедру «Материаловедение»

на тему:

Магнитометры на СКВИДах. 

Выполнил: Подчуфаров А.И.

Преподаватель: Петров В.С.

Зачтено: 04.06.96

ФИТ  ЭП-41

Москва 1996 г.
Содержание:

 

 

 

 

1. Сверхпроводимость.Основные параметры сверхпроводников.....3

2. ЭффектДжозефсона.........................................................................4

3.  Магнитометр....................................................................................5

4. Сверхпроводящийматериал — соединение Nb3Sn...........................8

5. Получениеджозефсоновских переходов.........................................9

6. Списоклитературы..........................................................................13

1. Сверхпроводимость.Основные параметры сверхпроводников.

         

          Явлениесверхпроводимости состоит в том, что при некоторой температуре, близкой кабсолютному нулю, электросопротивление в некоторых материалах исчезает. Этатемпература называется критической температурой перехода в сверхпроводящеесостояние.

          Сверхпроводимостьобнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов(Тк<sub/>£ 23К),а также у керамик (Тк > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.)

          Сверхпроводимостьматериалов с Тк<sub/>£ 23Кобъясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, противоположнымиспинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействиюэлектронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точкизрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистикеФерми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всемфизическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимостькерамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другимиквазичастицами.

Повзаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводникиI и II рода.

Сверхпроводникипервого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, чтоиндукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряжонностьмагнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникаетвнутрь проводника, называется критическим магнитным полем Нк. Усверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитногополя Нк2 > Н > Нк1, где индукция внутри сверхпроводникаменьше индукции проводника в нормальном состоянии. Нк1 – нижнеекритическое поле, Нк2 – верхнее критическое поле. Н <Нк1<sub/>– индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю,Н > Нк2 – сверхпроводимость нарушается. Черезидеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: /> (критический ток). Объясняется это тем, что поле, создаваемоетоком, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся на поверхностиобразца,  под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделениемтепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:

Вещество

Тк К

m0Нк1   Тл

m0Нк2   Тл

Pb 7.2 0.55 Nb 9.2 0.13 0.27 Te 7.8 V 5.3 Ta 4.4 Sn 3.7

V3Si

17.1 23.4

Nb3Sn

18.2 24.5

Nb3Al

18.9

Nb3Ga

20.3 34.0

Nb3Ge

23.0 37.0

(Y0.6Ba0.4)2CuO4

96 160±20

Y1.2Ba0.3CuO4-8

102 18 при 77К

  

2. ЭффектДжозефсона.

Еслидва сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом, напримертончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный сверхпроводящийток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящих куперовских пар. Благодаряэтому обе системы сверхпроводников связаны между собой. Связь эта очень слаба,т.к. мала вероятность туннелирования пар даже через очень тонкий слойизолятора.

Наличиесвязи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами состояние обеихсистем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обменаопределяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз       j=j1 — j2, тогдаиз квантовой механики следует  /> .Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е1 и Е2могут отличаться только если между этими точками существует разностьпотенциалов Us. В этом случае />   (1).

Еслисверхпроводники связаны между собой с одной стороны и разделены слабымконтактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняя магнитныйпоток внутри образовавшегося контура. При этом />.Учитывая, что квант потока /> и потокФ через контур может быть лишь nФ0, где n=0,±1,±2,±3,… Джозефсон предсказал, что /> (2)

Где:

                   Is – ток черезконтакт

                   Ic – максимальный постоянныйджозефсоновский ток         через контакт

                   j — разность фаз.

          Из (1), (2) следует/>.

          Посколькуна фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, тосверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинствеслучаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из несколькихконтактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовыйинтерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого дляуправления током, зависит от площади контура и может бать очень мала. ПоэтомуСКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.

Известнынесколько типов джозефсоновских контактов, но наиболее распространены следующие:

  

/>

                                                              

                        изолятор                               

                        » 1нм                                 сверхпроводники

        туннельный переход                                 переход  типа «мостик»

3. Магнитометр.

 

 Магнитометр — прибор на основе джозевсоновскихпереходов, применяющийся для измерения магнитного поля и градиента магнитногополя. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов: на постоянномтоке и переменном. Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока.

                                                  I

                               A                      B                       U

 

                 

/>                     переходы

                    джозефсоновские

Еслик такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце циркулирующийсверхпроводящий ток. Он будет вычитаться из постоянного тока I в Аи складываться в В. Тогда  максимальный ток кольца зависит от магнитного потокаФ и равен: />  Ic – ток кольца, Ф0– квант потока, Ф – захваченный поток. При этом  />  R – сопротивление перехода, l – индуктивность кольца. DU – достигает нескольких микровольт и может бытьизмерена обычными электронными приборами.

/>  I                                                            Imax

         nФ0

            (n+1/2)Ф0

                                 U                                                          n                  

Рисунокслева: ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя джозевсоновскимипереходами.

Рисуноксправа: Зависимость Imax от внешнегопотока

n – число квантовпотока пронизывающих контур.

Техническаяреализация магнитометров на СКВИДе на постоянном токе с 2-мя тунельнымипереходами.

                                                                Кварцевая трубка

                                                                 

                                                                Полоска из Pb

                                                                 Платиновый электрод

                                                                  Pb

                                                                  Джозефсоновские

                                                                   переходы

                                                                   Платиновый электрод

                                                                Контур СКВИДа

                                                           образован цилиндрической

                      пленкой из Pb нанесенной на кварцевый цилиндр

                      длинной 18 мм с наружным диаметром 8мм, а      

                          внутренним 6мм.

                                               Описанная здесь конструкция яв-

2мм                            ляется датчиком включенным в электри- 

/>                                       ческую схему,обеспечивающую изме-

                                        рение и индикацию отклика датчика

                1.5мм                на изменение внешнего магнитного

                                                   поля. Такая система представляет со-

600нм                                    600нм               бой магнитометр.

                                              20нм

4. Сверхпроводящийматериал – соединение Nb3Sn.

 

         

/>Соединение Nb3Sn имеет Тк=18.2Ки Нк2=18.5 МА/m (m0Нк=23Тл) при 4.2К. Благодаря такимпараметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малымполям     10-17Тл, так и к изменению больших полей »1Тл. Соединение имеет такую решетку: атомы ниобиярасположены в местах, занятых       на рисунке и образуют со своими ближайшимисоседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:

 

                                                                        Nb

/>                                                                         Sn

Атомыниобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями. Цепочкиниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих свойств недолжны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов олова или при недостаточнойстепени порядка в кристаллической решетке. Диаграмма фазового равновесиясистемы Nb-Sn  приведена на рисунке:

toC

2500

                    a+ж    2000

2000

             a                                                                                     Ж

1500                               Nb3Sn3

            a+Nb3Sn                                     910-920

1000

/>                      Nb3Sn                                                        840-860

  500                              805-820  NbSn7                        232-234

Nb  0    10    20    30    40    50    60    70    80    90   100    Sn
Соединение Nb3Sn хрупкои изделие из него не могут бать получены обычным металлургическим путем, т.е.выплавкой с последующей деформацией. Массивные изделия из этого соединения:цилиндры, пластины и т.д. получают, как правило, металлокерамическим методом,т.е. смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова, прессуяизделия нужной формы и нагревая их до температуры образования химического соединения Nb3Sn, обычно в интервале 960-1200O.

5. Получениеджозефсоновских переходов.

 

Джозефсоновскиетуннельные переходы  представляют собой две тонкие сверхпроводящие пленкиразделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. Рассмотримнекоторые из методов получения переходов с диэлектрическим барьером. Натщательно очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверхпроводящегосоединения толщиной в несколько тысяч ангстрем.

Нанесениепервой пленки осуществляется путем катодного распыления.

/>4

/>1

/>

/>/>                                                                                      6

 

           2            3                   5

                                   

1. Катод

2. Распыляющийгаз

3. К вакуумномунасосу

4. Держатель сподложкой

5. Постоянноенапряжение 4 кВ

6. ВЧ – генератор3-300 МГц

Газовыйразряд при низком давлении можно возбудить высокочастотным электрическим полем.Тогда в газовом промежутке, содержащим аргон, возникает тлеющий разряд. Образовавшиесяпри этом положительные ионы, разгоняются электрическим полем, ударяются о катодраспыляя сплав. Вылетающие с катода атомы осаждаются на подложке. В такой системебыли достигнуты скорости осаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени 500В.

Длявысокочастотного катодного распыления Nb3Sn необходим вакуумперед распылением 10-4Па, температура подложки 900OС,чистота напускаемого аргона 99,999%, его давление менее 1Па.

Длякачества туннельного перехода большое значение имеет структура пленки. Внапыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическая решетка, и в них, какправило со временем происходят структурные изменения: течениедислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшить свойстватуннельного перехода (например возникнуть закоротки).

Однимиз способов устранения этих нежелательных явлений состоит во внесении в пленкупримесей стабилизирующих их структуру. Так пленки образующие туннельный переходполучались последовательным напылением In (49нм), Au (9нм), Nb3Sn (350нм) для нижнего электрода и Nb3Sn (300нм), Au(5нм), Nb3Sn(200нм) для верхнего электрода. После этого пленкивыдерживались при температуре 75ОС в течении 2ч., что приводило кстабилизации свойств перехода.

Следующимважным этапом получения туннельного перехода является образование барьерногослоя, как правило, это слой окисла на поверхности первой пленки. Свойстватуннельного перехода и его срок службы определяется прежде всего качествомбарьерного слоя. Этот слой должен быть плотным, тонким (»2нм), ровным, не иметь пор и не меняться со временем при температурномциклировании.

Наиболееудачный метод приготовления туннельных барьеров состоит в окислении пленки вслабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода. Подложка с пленочным электродомкрепится к катоду разрядной камеры. Сначала поверхность пленки очищают от естественногоокисления путем ВЧ катодного распыления в атмосфере аргона при давлении 0.5 Пав течении 1-5 мин. Сразу после этого аргон в камере заменяется кислородом илиаргонокислородной смесью и зажигается разряд на частоте 13.56 МГц. Заопределенное время на пленке, находящейся в разряде, образовался слой окисланеобходимой толщины. Для получения туннельных барьеров толщиной 2-5нм необходимоподдерживать разряд мощностью 0.003-0,1 Вт/мм2 в течении 10-20 мин.

Применяюттуннельные переходы с барьером из полупроводника. В качестве материала барьераиспользуется различные  п/п:CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs и др.

Основнойметод нанесения п/п барьера – распыление. Однако в напыленном слое  п/п имеетсямного отверстий и пустот, наличие которых способствует появлению закороток в переходе.Для устранения этого недостатка после напыления барьера переход подвергаетсяокислению. В результате закоротки действительно не возникают, но свойствабарьера при это ухудшаются: уменьшается максимальная плотность тока, величина емкостиувеличивается.

Наилучшиетуннельные переходы с полупроводниковым барьером, получаются, когда барьерпредставляет собой монокристалл. Такие переходы реализованы не созданиембарьера на сверхпроводящей пленке, а наоборот, нанесением пленки на обе сторонытонкой монокристаллической п/п мембраны из Si. Известно,что скорость травления монокристаллического Siперпендикулярно плоскости (100) в 16 раз больше чем в направлении плоскости(111). В результате этого в пластине Si, поверхность которого параллельна(100), при травлении небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуютсяямки. Боковые стенки ямки образуют плоскости (111) под углом 54.7О кповерхности. Таким образом, размер дна ямки w1, т.е. размер мембраны определяется соотношением />, где w2 – размероткрытого незащищенного участка поверхности, t – глубина ямки.

Чтобыполучить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либо образом автоматическиостановить травление. Это достигается с помощью легирования бором обратнойстороны кремниевой подложки на глубину равную необходимой толщине мембраны. Скоростьтравления быстро падает, когда достигается слой Si с концентрациейбора, равной n=4×1019 см-3, и полностью останавливается при n=7×1019см-3. Таким образом были получены мембраны толщиной 40-100 нм.Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие переход.

Вслучае последовательного напыления: сверхпроводящая пленка – барьер– сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанести методом катодногораспыления.

Готовые переходы защищают от влияния атмосферы слоем фоторезиста.Для получения воспроизводимых туннельных систем необходимо, чтобы междуоперациями пленка не подвергалась воздействию атмосферы т.к. адсорбция газов наповерхности пленок может вызвать неконтролируемое изменение характеристикперехода.
Список литературы:

1. Г.Н. Кадыкова«Сверхпроводящие материалы» М. МИЭМ 1990

2. А.Ф. Волков,Н.В. Заварицкий «Электронные устройства на основе слабосвязных сверхпроводников»М. Советское радио 1982

3. Р. Берри, П.Холл, М. Гаррис «Тонкопленочная технология» М. Энергия 1979

4. Т. Ван-ДузерЧ.У. Тернер «Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей» М. Радио исвязь 1984