Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах

Содержание : 1. Сверхпроводимость.

Основные параметры сверхпроводников.....3 2. Эффект Джозефсона.........................................................................4 3. Магнитометр....................................................................................5 4. Сверхпроводящий материал - соединение Nb 3 Sn ...........................8 5. Получение джозефсоновских переходов.........................................9 6. Список литературы..........................................................................13 1. Сверхпроводимость.

Основные параметры сверхпроводников . Явление сверхпроводимости состоит в том, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление в некоторых материалах исчезает. Эта температура называется критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Т к 23 К), а также у керамик (Т к > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.) Сверхпроводимость материалов с Т к 23 К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами. По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы : сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряжонность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Н к . У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля Н к2 > Н > Н к1 , где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии. Н к1 – нижнее критическое поле, Н к2 – верхнее критическое поле. Н Н к1 – индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Н к2 – сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой : ( критический ток). Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит Н к1 , вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости. T k , Н к1 , Н к2 , некоторых металлов и соединений :

Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны между собой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар даже через очень тонкий слой изолятора.

Наличие связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз j = j 1 - j 2 , тогда из квантовой механики следует . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е 1 и Е 2 могут отличаться только если между этими точками существует разность потенциалов U s . В этом случае (1). Если сверхпроводники связаны между собой с одной стороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом и поток Ф через контур может быть лишь n Ф 0 , где n=0 , ± 1, ± 2, ± 3,... Джозефсон предсказал, что (2) Где : I s – ток через контакт I c – максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт j -- разность фаз. Из (1), (2) следует . Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, то сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади контура и может бать очень мала.

Поэтому СКВИДы 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 на основе джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов : на постоянном токе и переменном.

Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока. I A B U переходы джозефсоновские Если к такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться из постоянного тока I в А и складываться в В. Тогда максимальный ток кольца зависит от магнитного потока Ф и равен : I c – ток кольца, Ф 0 – квант потока, Ф – захваченный поток. При этом R – сопротивление перехода, l – индуктивность кольца. D U – достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электронными приборами. I I max n Ф 0 ( n+1/2) Ф 0 U n Рисунок слева : ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя джозевсоновскими переходами.

Рисунок справа : Зависимость I max от внешнего потока n – число квантов потока пронизывающих контур.

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

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- 2 мм ляется датчиком включенным в электри- ческую схему, обеспечивающую измерение и индикацию отклика датчика 1.5мм на изменение внешнего магнитного поля. Такая система представляет со- 600нм 600нм бой магнитометр. 20 нм 4. Сверхпроводящий материал – соединение Nb 3 Sn. Соединение Nb 3 Sn имеет Т к =18.2К и Н к2 =18.5 МА /m ( m 0 Н к =23Тл) при 4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым полям 10 -17 Тл, так и к изменению больших полей » 1Тл.

Соединение имеет такую решетку : атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу : Nb Sn Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями.

Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллической решетке.

Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке : t o C 2500 a + ж 2000 2000 a Ж 1500 Nb 3 Sn 3 a + Nb 3 Sn 910-920 1000 Nb 3 Sn 840-860 500 805-820 NbSn 7 232-234 Nb 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sn Соединение Nb 3 Sn хрупко и 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, прессуя изделия нужной формы и нагревая их до температуры образования химического соединения Nb 3 Sn , обычно в интервале 960-1200 O . 5. Получение джозефсоновских переходов.

Джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие сверхпроводящие пленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника.

Рассмотрим некоторые из методов получения переходов с диэлектрическим барьером. На тщательно очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверхпроводящего соединения толщиной в несколько тысяч ангстрем.

Нанесение первой пленки осуществляется путем катодного распыления. 4 1 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 возбудить высокочастотным электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, содержащим аргон, возникает тлеющий разряд.

Образовавшиеся при этом положительные ионы, разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распыляя сплав.

Вылетающие с катода атомы осаждаются на подложке. В такой системе были достигнуты скорости осаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени 500В. Для высокочастотного катодного распыления Nb 3 Sn необходим вакуум перед распылением 10 -4 Па, температура подложки 900 O С, чистота напускаемого аргона 99,999 % , его давление менее 1Па. Для качества туннельного перехода большое значение имеет структура пленки. В напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическая решетка, и в них, как правило со временем происходят структурные изменения : течение дислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшить свойства туннельного перехода (например возникнуть закоротки). Одним из способов устранения этих нежелательных явлений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их структуру. Так пленки образующие туннельный переход получались последовательным напылением In ( 49нм), Au (9нм) , Nb 3 Sn (350нм) для нижнего электрода и Nb 3 Sn (300нм), Au(5 нм), Nb 3 Sn(200 нм ) для верхнего электрода. После этого пленки выдерживались при температуре 75 О С в течении 2ч., что приводило к стабилизации свойств перехода.

Следующим важным этапом получения туннельного перехода является образование барьерного слоя, как правило, это слой окисла на поверхности первой пленки.

Свойства туннельного перехода и его срок службы определяется прежде всего качеством барьерного слоя. Этот слой должен быть плотным, тонким ( » 2нм), ровным, не иметь пор и не меняться со временем при температурном циклировании.

Наиболее удачный метод приготовления туннельных барьеров состоит в окислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода.

Подложка с пленочным электродом крепится к катоду разрядной камеры.

Сначала поверхность пленки очищают от естественного окисления путем ВЧ катодного распыления в атмосфере аргона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу после этого аргон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной смесью и зажигается разряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на пленке, находящейся в разряде, образовался слой окисла необходимой толщины. Для получения туннельных барьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать разряд мощностью 0.003-0,1 Вт/мм 2 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 и др.

Основной метод нанесения п/п барьера – распыление.

Однако в напыленном слое п/п имеется много отверстий и пустот, наличие которых способствует появлению закороток в переходе. Для устранения этого недостатка после напыления барьера переход подвергается окислению. В результате закоротки действительно не возникают, но свойства барьера при это ухудшаются : уменьшается максимальная плотность тока, величина емкости увеличивается.

Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковым барьером, получаются, когда барьер представляет собой монокристалл. Такие переходы 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 Si перпендикулярно 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, образуются ямки.

Боковые стенки ямки образуют плоскости (111) под углом 54.7 О к поверхности. Таким образом, размер дна ямки w 1 , т.е. размер мембраны определяется соотношением w 2 – размер открытого незащищенного участка поверхности, t – глубина ямки. Чтобы получить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либо образом автоматически остановить травление. Это достигается с помощью легирования бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равную необходимой толщине мембраны.

Скорость травления быстро падает, когда достигается слой Si с концентрацией бора, равной n=4 10 19 см -3 , и полностью останавливается при n=7 10 19 см -3 . Таким образом были получены мембраны толщиной 40-100 нм. Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие переход. В случае последовательного напыления : сверхпроводящая пленка – барьер – сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанести методом катодного распыления.