Реферат: Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах

Московскийгосударственный институт электроники и математики

(техническийуниверситет)

Курсовая работа

для представления на кафедру«Материаловедение»

на тему:

Магнитометрына СКВИДах.

Выполнил: Подчуфаров А.И.

Преподаватель:Петров В.С.

Зачтено:04.06.96

ФИТ ЭП-41

Москва 1996 г.
Содержание:

1. Сверхпроводимость. Основныепараметры сверхпроводников.....3

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

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

4. Сверхпроводящий материал — соединение Nb3Sn...........................8

5. Получение джозефсоновскихпереходов.........................................9

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

1.Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников.

Явление сверхпроводимости состоит втом, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю,электросопротивление в некоторых материалах исчезает. Эта температураназывается критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость обнаружена более чему 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк£

23К), атакже у керамик (Тк >77,4К – высокотемпературныесверхпроводники.)

Сверхпроводимость материалов с Тк£

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.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняетсявзаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами.

По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводникиделятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их вмагнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводникаравна нулю (эффект Мейсснера). Напряжонность магнитного поля, при которомразрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называетсякритическим магнитным полем Нк. У сверхпроводников второго родасуществует промежуток напряженности магнитного поля Нк2 >Н >Нк1,где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.Нк1 – нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическоеполе. Н <Нк1– индукция в сверхпроводникевторого рода равна нулю, Н >Нк2 –сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго родаможно пропускать ток силой: <img src="/cache/referats/1721/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> (критический ток).Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит Нк1,вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрьобразца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:

Вещество

Тк К

m

0Нк1 Тл

m

0Нк2 Тл

7.2

0.55

9.2

0.13

0.27

7.8

5.3

4.4

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

160±

Y1.2Ba0.3CuO4-8

102

18 при 77К

2. Эффект Джозефсона.

Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым»контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдеттуннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящихкуперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны междусобой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар дажечерез очень тонкий слой изолятора.

Наличие связи приводит к тому, что в следствиипроцесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этоминтенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функциймежду системами. Если разность фаз j

=j1 — j2, тогда из квантовоймеханики следует <img src="/cache/referats/1721/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> . Энергии в точках поодну и другую сторону барьера Е1 и Е2 могут отличатьсятолько если между этими точками существует разность потенциалов Us. В этом случае <img src="/cache/referats/1721/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (1).

Если сверхпроводники связаны между собой с однойстороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можновызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом <img src="/cache/referats/1721/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"><img src="/cache/referats/1721/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> и поток Ф через контурможет быть лишь nФ0, где n=0,±

1,±2,±3,… Джозефсон предсказал, что <img src="/cache/referats/1721/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (2)

Где:

Is– ток черезконтакт

Ic–максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт

j

— разность фаз.

Из (1), (2) следует <img src="/cache/referats/1721/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">.

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.

Известны несколько типов джозефсоновских контактов,но наиболее распространены следующие:

изолятор

»

1нм сверхпроводники

туннельный переход переход типа «мостик»

3. Магнитометр.

Магнитометр — прибор наоснове джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля иградиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов:напостоянном токе и переменном. Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока.

A B U

<img src="/cache/referats/1721/image016.gif" v:shapes="_x0000_s1136 _x0000_s1137 _x0000_s1138 _x0000_s1139 _x0000_s1140 _x0000_s1141 _x0000_s1142 _x0000_s1143 _x0000_s1144 _x0000_s1145 _x0000_s1146 _x0000_s1147 _x0000_s1148 _x0000_s1149 _x0000_s1150 _x0000_s1151 _x0000_s1152 _x0000_s1153 _x0000_s1154 _x0000_s1155 _x0000_s1156 _x0000_s1157 _x0000_s1158 _x0000_s1159 _x0000_s1160 _x0000_s1161 _x0000_s1162 _x0000_s1163 _x0000_s1164"> переходы

джозефсоновские

Если к такому кольцу приложить поле, то оно будетнаводить в кольце циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться изпостоянного тока Iв А и складываться в В. Тогда максимальный ток кольца зависит от магнитногопотока Ф и равен:<img src="/cache/referats/1721/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> Ic– ток кольца, Ф0–квант потока, Ф – захваченный поток. При этом <img src="/cache/referats/1721/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> R– сопротивление перехода, l–индуктивность кольца. D

U–достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электроннымиприборами.

<img src="/cache/referats/1721/image021.gif" v:shapes="_x0000_s1057 _x0000_s1058 _x0000_s1059 _x0000_s1060 _x0000_s1061 _x0000_s1062 _x0000_s1063 _x0000_s1064 _x0000_s1065 _x0000_s1066 _x0000_s1067 _x0000_s1068 _x0000_s1069 _x0000_s1070 _x0000_s1071 _x0000_s1072 _x0000_s1073 _x0000_s1074 _x0000_s1075 _x0000_s1076 _x0000_s1077 _x0000_s1078 _x0000_s1079 _x0000_s1080 _x0000_s1081 _x0000_s1082 _x0000_s1083 _x0000_s1084 _x0000_s1085"> I Imax

nФ0

(n+1/2)Ф0

U n

Рисунок слева: ВАХ сверхпроводящего кольцас 2-мя джозевсоновскими переходами.

Рисунок справа:Зависимость Imaxот внешнего потока

n – число квантов потокапронизывающих контур.

Техническая реализация магнитометров на СКВИДе напостоянном токе с 2-мя тунельными переходами.

Кварцевая трубка

Полоска из Pb

Платиновый электрод

Джозефсоновские

переходы

Платиновый электрод

КонтурСКВИДа

образован цилиндрической

пленкой изPb нанесеннойна кварцевый цилиндр

длинной 18 мм с наружнымдиаметром 8мм, а

внутренним 6мм.

Описанная здесь конструкция яв-

2 мм ляется датчикомвключенным в электри-

<img src="/cache/referats/1721/image022.gif" v:shapes="_x0000_s1170 _x0000_s1171 _x0000_s1172 _x0000_s1173 _x0000_s1174 _x0000_s1175 _x0000_s1176 _x0000_s1177 _x0000_s1178 _x0000_s1179 _x0000_s1180 _x0000_s1181 _x0000_s1182 _x0000_s1183 _x0000_s1184 _x0000_s1185 _x0000_s1186 _x0000_s1187 _x0000_s1188 _x0000_s1189 _x0000_s1190 _x0000_s1191 _x0000_s1192 _x0000_s1193 _x0000_s1194 _x0000_s1195 _x0000_s1196 _x0000_s1197 _x0000_s1198 _x0000_s1199 _x0000_s1200 _x0000_s1201 _x0000_s1202 _x0000_s1203 _x0000_s1204 _x0000_s1205 _x0000_s1206 _x0000_s1207 _x0000_s1208 _x0000_s1209 _x0000_s1210 _x0000_s1211 _x0000_s1212 _x0000_s1213 _x0000_s1214 _x0000_s1215 _x0000_s1216 _x0000_s1217 _x0000_s1218 _x0000_s1219 _x0000_s1220 _x0000_s1221 _x0000_s1222 _x0000_s1223 _x0000_s1224 _x0000_s1225 _x0000_s1226 _x0000_s1227 _x0000_s1228 _x0000_s1229 _x0000_s1230 _x0000_s1231 _x0000_s1232 _x0000_s1233 _x0000_s1234 _x0000_s1235 _x0000_s1236 _x0000_s1237 _x0000_s1238 _x0000_s1239 _x0000_s1240 _x0000_s1241 _x0000_s1242 _x0000_s1243 _x0000_s1244 _x0000_s1245 _x0000_s1246 _x0000_s1247"> ческуюсхему, обеспечивающую изме-

рение ииндикацию отклика датчика

1.5мм на изменение внешнегомагнитного

поля. Такая система представляет со-

600нм 600нм бой магнитометр.

20 нм

4. Сверхпроводящий материал –соединение Nb3Sn.

<img src="/cache/referats/1721/image023.gif" v:shapes="_x0000_s1165">Соединение Nb3Sn имеет Тк=18.2К иНк2=18.5 МА/m(m

0Нк=23Тл) при4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходычувствительные как к малым полям 10-17Тл,так и к изменению больших полей »1Тл. Соединение имеет такуюрешетку:атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своимиближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:

<img src="/cache/referats/1721/image024.gif" v:shapes="_x0000_s1248 _x0000_s1249 _x0000_s1250 _x0000_s1251 _x0000_s1252 _x0000_s1253 _x0000_s1254 _x0000_s1255 _x0000_s1256 _x0000_s1257 _x0000_s1258 _x0000_s1259 _x0000_s1260 _x0000_s1261 _x0000_s1262 _x0000_s1263 _x0000_s1264 _x0000_s1265 _x0000_s1266 _x0000_s1267 _x0000_s1268 _x0000_s1269 _x0000_s1270 _x0000_s1271 _x0000_s1272 _x0000_s1273 _x0000_s1274 _x0000_s1275 _x0000_s1276 _x0000_s1277 _x0000_s1278 _x0000_s1279 _x0000_s1280 _x0000_s1281 _x0000_s1282 _x0000_s1283 _x0000_s1284 _x0000_s1285 _x0000_s1286 _x0000_s1287 _x0000_s1288 _x0000_s1289 _x0000_s1290 _x0000_s1291 _x0000_s1292"> Sn

Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительнымиковалентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получениясверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти приизбытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллическойрешетке. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке:

toC

2500

a

+ж 2000

2000

a

1500 Nb3Sn3

a

+Nb3Sn 910-920

1000

<img src="/cache/referats/1721/image025.gif" v:shapes="_x0000_s1293 _x0000_s1294 _x0000_s1295 _x0000_s1296 _x0000_s1297 _x0000_s1298 _x0000_s1299 _x0000_s1300 _x0000_s1301 _x0000_s1302 _x0000_s1303 _x0000_s1304 _x0000_s1305 _x0000_s1306 _x0000_s1307 _x0000_s1308 _x0000_s1309 _x0000_s1310 _x0000_s1311 _x0000_s1312 _x0000_s1313 _x0000_s1314 _x0000_s1315 _x0000_s1316 _x0000_s1317 _x0000_s1318 _x0000_s1319 _x0000_s1320 _x0000_s1321 _x0000_s1322 _x0000_s1323 _x0000_s1324 _x0000_s1325 _x0000_s1326 _x0000_s1327 _x0000_s1328 _x0000_s1329 _x0000_s1330"> Nb3Sn 840-860

500 805-820 NbSn7 232-234

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

5. Получение джозефсоновскихпереходов.

Джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие сверхпроводящиепленки разделенные 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.

Нанесение первой пленки осуществляется путемкатодного распыления.

<img src="/cache/referats/1721/image026.gif" v:shapes="_x0000_s1166">4

<img src="/cache/referats/1721/image027.gif" v:shapes="_x0000_s1167">1

<img src="/cache/referats/1721/image029.gif" v:shapes="_x0000_s1169"><img src="/cache/referats/1721/image030.gif" v:shapes="_x0000_s1168"> 6

2 3 5

1. Катод

2. Распыляющий газ

3. К вакуумному насосу

4. Держатель с подложкой

5. Постоянное напряжение 4 кВ

6. ВЧ – генератор 3-300 МГц

Газовый разряд при низком давлении можно возбудитьвысокочастотным электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, содержащимаргон, возникает тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы,разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распыляя сплав. Вылетающие скатода атомы осаждаются на подложке. В такой системе были достигнуты скоростиосаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени 500В.

Для высокочастотного катодного распыления Nb3Sn необходим вакуум перед распылением 10-4Па, температураподложки 900OС, чистота напускаемого аргона 99,999%, егодавление менее 1Па.

Для качества туннельного перехода большое значение имеетструктура пленки. В напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическаярешетка, и в них, как правило со временем происходят структурные изменения:течение дислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшитьсвойства туннельного перехода (например возникнуть закоротки).

Одним из способов устранения этих нежелательныхявлений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их структуру. Такпленки образующие туннельный переход получались последовательным напылением In (49нм),Au (9нм), Nb3Sn(350нм) для нижнегоэлектрода и Nb3Sn (300нм), Au(5нм), Nb3Sn(200нм)для верхнего электрода. После этого пленкивыдерживались при температуре 75ОС в течении 2ч., что приводило кстабилизации свойств перехода.

Следующим важным этапом получения туннельногоперехода является образование барьерного слоя, как правило, это слой окисла наповерхности первой пленки. Свойства туннельного перехода и его срок службыопределяется прежде всего качеством барьерного слоя. Этот слой должен бытьплотным, тонким (»

2нм), ровным, не иметь пор ине меняться со временем при температурном циклировании.

Наиболее удачный метод приготовления туннельныхбарьеров состоит в окислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода.Подложка с пленочным электродом крепится к катоду разрядной камеры. Сначалаповерхность пленки очищают от естественного окисления путем ВЧ катодного распыленияв атмосфере аргона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу после этогоаргон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной смесью и зажигаетсяразряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на пленке, находящейся вразряде, образовался слой окисла необходимой толщины. Для получения туннельныхбарьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать разряд мощностью 0.003-0,1Вт/мм2 в течении 10-20 мин.

Применяют туннельные переходы с барьером из полупроводника.В качестве материала барьера используется различные п/п: CdS, CdSe, Ge,InSb, CuAs идр.

Основной метод 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 максимальнаяплотность тока, величина емкости увеличивается.

Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковымбарьером, получаются, когда барьер представляет собой монокристалл. Такиепереходы реализованы не созданием барьера на сверхпроводящей пленке, а наоборот,нанесением пленки на обе стороны тонкой 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 впластине Si, поверхность которого параллельна (100), притравлении небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуются ямки.Боковые стенки ямки образуют плоскости (111) под углом 54.7О к поверхности.Таким образом, размер дна ямки w

1, т.е. размер мембраныопределяется соотношением <img src="/cache/referats/1721/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1034">w2– размер открытого незащищенногоучастка поверхности, t– глубина ямки.

Чтобы получить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либообразом автоматически остановить травление. Это достигается с помощьюлегирования бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равнуюнеобходимой толщине мембраны. Скорость травления быстро падает, когдадостигается слой Si с концентрацией бора, равной n=4×

1019см-3, и полностью останавливается при n=7×1019см-3. Таким образом были получены мембраны толщиной 40-100нм. Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие переход.

В случае последовательного напыления: сверхпроводящаяпленка – барьер – сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанестиметодом катодного распыления.

Готовые переходы защищают отвлияния атмосферы слоем фоторезиста. Для получения воспроизводимых туннельныхсистем необходимо, чтобы между операциями пленка не подвергалась воздействиюатмосферы т.к. адсорбция газов на поверхности пленок может вызватьнеконтролируемое изменение характеристик перехода.
Списоклитературы:

1. Г.Н. Кадыкова «Сверхпроводящиематериалы» М. МИЭМ 1990

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

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

4. Т. Ван-Дузер Ч.У. Тернер «Физическиеосновы сверхпроводниковых устройств и цепей» М. Радио и связь 1984

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

16-разрядный генератор псевдослучайных чисел

29 Августа 2013