Магнітометри

Металургія

Московський державний інститут електроніки та математики

(технічний університет)

Курсова робота для представлення на кафедру «Матеріалознавство» на тему:

Магнітометри на СКВІДах.

Виконав: Подчуфаров А.І.

Викладач: Петров В.С.

Зараховано: 04.06.96

ФІТ ЕП - 41

Москва 1996 г.

Зміст:

1. Надпровідність. Основні параметри надпровідників ..... 3
2. Ефект
Джозефсона ............................................. ...................< br> ......... 4
3.
Магнітометр ............................................ ...................< br> ..................... 5
4. Надпровідний матеріал - підключення Nb3Sn ........................... 8
5. Отримання джозефсонівських переходів ......................................... 9
6. Список літератури ................................................ ................< br> .......... 13
1. Надпровідність. Основні параметри надпровідників.

Явище надпровідності полягає в тому, що при деякійтемпературі, близькій до абсолютного нуля, Електроопір в деякихматеріалах зникає. Ця температура називається критичною температуроюпереходу в надпровідний стан.

Надпровідність виявлено більш ніж у 20 металів і великогокількості з'єднань і сплавів (Тк (23К), а також у керамік (Тк> 77,4 К --високотемпературні надпровідники.)

Надпровідність матеріалів з Тк (23К пояснюється наявністю вречовині пар електронів, що володіють енергією Фермі, протилежнимиспинами і імпульсами (пари Купера), які утворюються завдякивзаємодії електронів з коливаннями іонів решітки - фононами. Всі паризнаходяться, з точки зору квантової механіки, в одному стані (вони непідкоряються статистиці Фермі тому мають цілочисельний спін) і узгодженіміж собою за всіма фізичними параметрами, тобто утворюють єдинийнадпровідний конденсат.

Надпровідність керамік, можливо, пояснюється взаємодієюелектронів з будь-якими іншими квазічастинками.

За взаємодії з магнітним полем надпровідники діляться на двіосновні групи: надпровідники I і II роду.

надпровідники першого роду при приміщенні їх у магнітне поле
«Виштовхують» останнім так, що індукція всередині надпровідників дорівнює нулю
(ефект Мейсснера). Напряжонность магнітного поля, при якому руйнуєтьсянадпровідність і поле проникає всередину провідника, називаєтьсякритичним магнітним полем Нк. У надпровідників другого роду існуєпроміжок напруженості магнітного поля НК2> Н> Нк1, де індукція всерединінадпровідників менше індукції провідника в нормальному стані. Нк1 --нижнє критичне поле, НК2 - верхнє критичне поле. Н <Нк1 - індукціяв надпровідники другого роду дорівнює нулю, Н> НК2 - надпровідністьпорушується. Через ідеальні надпровідники другого роду можна пропускатиструм силою: (критичний струм). Пояснюється це тим, що поле,створюване струмом, перевищить Нк1, вихрові нитки, що зароджуються наповерхні зразка, під дією сил Лоренца, рухаються всередину зразка звиділенням тепла, що призводить до втрати надпровідності.

Tk, Нк1, НК2, деяких металів і з'єднань:
| Речовина | Тк К | (0Нк1 Тл | (0Нк2 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) 2CuO | 96 | | 160 (20 |
| 4 | | | |
| Y1.2Ba0.3CuO4-8 | 102 | | 18 при 77К |

2. Ефект Джозефсона.

Якщо два надпровідників з'єднати один з одним «слабким» контакту,наприклад найтоншої смужкою з діелектрика, через нього піде тунельнийнадпровідний струм, тобто відбудеться тунелювання надпровіднихКуперівська пар. Завдяки цьому обидві системи надпровідників пов'язані міжсобою. Зв'язок цей дуже слабка, тому що мала ймовірність тунелювання пар навітьчерез дуже тонкий шар ізолятора.
Наявність зв'язку призводить до того, що в наслідку процесу обміну парамистан обох систем змінюється в часі. При цьому інтенсивність інапрямок обміну визначається різницею фаз хвильових функцій міжсистемами. Якщо різниця фаз (= (1 - (2, тоді з квантової механікислід. Енергії в точках в одну й іншу сторону бар'єру Е1 і Е2можуть відрізнятися тільки якщо між цими точками існує різницяпотенціалів Us. У цьому випадку (1).
Якщо надпровідники пов'язані між собою з одного боку і розділені слабкимконтактом з іншого, то напруга на контакті можна викликати, змінюючимагнітний потік усередині утворився контуру. При цьому. Враховуючи,що квант потоку і потік Ф через контур може бути лише nФ0, деn = 0, (1, (2, (3, ... Джозефсон передбачив, що (2)
Де:

Is - струм через контакт

Ic - максимальний постійна джозефсонівських струм черезКонтакт

(- різниця фаз.

З (1), (2) слід.

Оскільки на фазовий співвідношення між системами влеяет магнітнеполе, то надпровідним струмом контуру можна керувати магнітним полем. Убільшості випадків використовується не один джозефсонівських контакт, а контурз декількох контактів, включених паралельно, так званийнадпровідний квантовий інтерферометр Джозефсона (СКВІД). Величинамагнітного поля, необхідного для керування струмом, залежить від площіконтуру і може бать дуже мала. Тому СКВІДи застосовують там, де потрібнавелика чутливість.
Відомі кілька типів джозефсонівських контактів, але найбільшпоширені наступні:

ізолятор

(1нмнадпровідники

тунельний перехід перехід типу
«Місток»

Магнітометр.

Магнітометр - прилад на основі джозевсоновскіх переходів, що застосовуєтьсядля вимірювання магнітного поля та градієнта магнітного поля. У магнітометривикористовуються СКВІДи 2х типів: на постійному і змінному струмі. Розглянемомагнітометр на СКВДах постійного струму.

переходи джозефсонівських

Якщо до такого кільцю прикласти поле, то воно буде наводити в кільціциркулюючий надпровідний струм. Він буде відніматися з постійного струму
I в А і складатися в В. Тоді максимальний струм кільця залежить відмагнітного потоку Ф і дорівнює: Ic - струм кільця, Ф0 - квант потоку, Ф --захоплений потік. При цьому R - опір переходу, l --індуктивність кільця. (U - досягає декількох мікровольтах і може бутивиміряна звичайними електронними приладами.

I Imax nФ0

(n +1/2) Ф0

U n

Малюнок ліворуч: ВАХ надпровідного кільця з 2-ма джозевсоновскіміпереходами.
Малюнок справа: Залежність Imax від зовнішнього потокуn - число квантів потоку пронизують контур.

Технічна реалізація магнітометрів на СКВІДе на постійному струмі з 2-матунельний переходами.

кварцоватрубка

Смужка з
Pb

Платиновий електрод

Джозефсонівських

переходи

Платиновий електрод

Контур
СКВІДа утворенийциліндричної плівкою з Pb нанесеною на кварцовий циліндр довжиною 18 мм із зовнішнім діаметром 8 мм, а внутрішнім 6мм.

Описана тут конструкціяяв-
2 мм ляется датчиком включеним в електрич-ний схему, що забезпечує вимірюв-ширення та індикацію відгуку датчика

1.5мм на зміну зовнішнього магнітного поля. Така системаявляє со-
600нм 600нм біймагнітометр.

20 нм

надпровідний матеріал - підключення Nb3Sn.

З'єднання Nb3Sn має Тк = 18.2К і НК2 = 18.5 МА/m ((0Нк = 23Тл) при 4.2К.
Завдяки таким параметрами можна отримати джозефсонівських переходичутливі як до малих полях 10-17Тл, так і до зміни великихполів (1Тл. З'єднання має такі грати: атоми ніобію розташовані вмісцях, зайнятих на малюнку і утворюють зі своїми найближчими сусідамитри ланцюжки, перпендикулярні один - до одного:

Атоми ніобію в цих ланцюжках пов'язані додатковими ковалентними зв'язками.
Ланцюжки ніобію в кристалічній структурі, для отримання понад проводятьвластивостей не повинні бути порушені, що може статися при надлишку атоміволова або при недостатньому ступені порядку в кристалічній решітці.
Діаграма фазового рівноваги системи Nb-Sn наведена на малюнку:

toC
2500

(+ ж 2000
2000

(

Ж
1500 Nb3Sn3

(+ 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
З'єднання Nb3Sn крихко і виріб з нього не можуть бать отримані звичайнимметалургійним шляхом, тобто виплавкою з наступною деформацією. Масивнівироби з цього з'єднання: циліндри, пластини і т.д. отримують, якправило, металокерамічних методом, тобто змішуючи у відповіднихпропорціях порошки ніобію та олова, пресуючи вироби потрібної форми і нагріваючиїх до температури освіти хімічної сполуки Nb3Sn, зазвичай уінтервалі 960-1200O.

Отримання джозефсонівських переходів.

джозефсонівських тунельні переходи являють собою два тонкінадпровідні плівки розділені бар'єрним шаром діелектрика абонапівпровідника. Розглянемо деякі з методів отримання переходів здіелектричним бар'єром. На ретельно очищену підкладку у вакуумінаноситься першим плівка надпровідного з'єднання товщиною в декількатисяч ангстрем.
Нанесення першого плівки здійснюється шляхом катодного розпилення.

2 3 5

Катод
Розпилюючи газ
До вакуумному насосу
Держатель з підкладкою
Постійна напруга 4 кВ
ВЧ - генератор 3-300 МГц

Газовий розряд при низькому тиску можна порушити високочастотнимелектричним полем. Тоді в газовому проміжку, що містить аргон,виникає тліючий розряд. Утворені при цьому позитивні іони,розганяються електричним полем, вдаряються про катод розпорошуючи сплав.
Що вилітають з катода атоми осідають на підкладці. У такій системі булидосягнуті швидкості осадження до 1А/сек. При зсуві на катоді - мішені
500В.
Для високочастотного катодного розпилення Nb3Sn необхідний вакуум передрозпиленням 10-4Па, температура підкладки 900OС, чистота напускає аргону
99,999%, його тиск менше 1Па.
Для якості тунельного переходу велике значення має структура плівки.
У напилювання плівках зазвичай дуже спотворена кристалічна решітка, і вних, як правило з часом відбуваються структурні зміни: протягомдислокацій, деформація меж зерен, що може значно погіршитивластивості тунельного переходу (наприклад виникнути закороткому).
Одним із способів усунення цих небажаних явищ полягає у внесеннів плівку домішок стабілізуючих їх структуру. Так плівки утворюютьтунельний перехід виходили послідовним напиленням In (49нм), Au
(9нм), Nb3Sn (350нм) для нижнього електрода і Nb3Sn (300нм), Au (5нм),
Nb3Sn (200Нм) для верхнього електроду. Після цього плівки витримувалися притемпературі 75ОС протягом 2ч., що призводило до стабілізації властивостейпереходу.
Наступним важливим етапом одержання тунельного переходу є утвореннябар'єрного шару, як правило, це шар оксиду на поверхні перші плівки.
Властивості тунельного переходу і його термін служби визначається насампередякістю бар'єрного шару. Цей шар повинен бути щільним, тонким ((2нм),рівним, не мати пір і не мінятися з часом при температурномуціклірованіі.
Найбільш вдалий метод приготування тунельних бар'єрів полягає вокисленні плівки в слабкому ВЧ розряді в атмосфері кисню. Підкладка зплівковим електродом кріпиться до катода розрядної камери. Спочаткуповерхню плівки очищають від природного окислення шляхом ВЧ катодногорозпилювання в атмосфері аргону при тиску 0.5 Па протягом 1-5 хв. Відразупісля цього аргон в камері замінюється киснем або аргонокіслороднойсумішшю і запалюється розряд на частоті 13.56 МГц. За певний час наплівці, що знаходиться в розряді, утворився шар оксиду необхідної товщини.
Для отримання тунельних бар'єрів товщиною 2-5нм необхідно підтримуватирозряд потужністю 0.003-0,1 Вт/мм2 протягом 10-20 хв.
Застосовують тунельні переходи з бар'єром з напівпровідника. В якостіматеріалу бар'єру використовується різні п/п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs іін
Основний метод нанесення п/п бар'єру - розпорошення. Однак у напиленням шарі п/п є багато отворів і порожнеч, наявність яких сприяєпояви закороток у переході. Для усунення цього недоліку післянапилювання бар'єру перехід піддається окислення. У результаті закороткомудійсно не виникають, але властивості бар'єру при це погіршуються:зменшується максимальна щільність струму, величина ємності збільшується.
Найкращі тунельні переходи з напівпровідниковим бар'єром, виходять,коли бар'єр є монокристалл. Такі переходи реалізовані нестворенням бар'єру на надпровідної плівці, а навпаки, нанесенням плівкина обидві сторони тонкої монокристалічний п/п мембрани з Si. Відомо, щошвидкість травлення монокристалічного Si перпендикулярно площині (100)в 16 разів більше ніж у напрямку площині (111). У результаті цього впластині Si, поверхня якого паралельна (100), при травленняневеликого, незахищеного фоторезистом ділянки, утворюються ямки. Бічністінки ямки утворюють площини (111) під кутом 54.7О до поверхні. Такимчином, розмір дна ямки (1, тобто розмір мембрани визначається співвідношенням
, Де (2 - розмір відкритого незахищеного ділянки поверхні, t --глибина ямки.
Щоб отримати мембрану потрібної товщини, необхідно будь-яким чиномавтоматично зупинити травлення. Це досягається за допомогою легуваннябором зворотного боку кремнієвої підкладки на глибину рівну необхідноїтовщині мембрани. Швидкість травлення швидко падає, коли досягається шар
Si з концентрацією бору, що дорівнює n = 4 (1019 см-3, і повністю зупиняєтьсяпри n = 7 (1019 см-3. Таким чином були отримані мембрани товщиною 40-100нм. Далі з двох боків наносяться надпровідні плівки, що утворюютьперехід.
У разі послідовного напилювання: надпровідних плівка - бар'єр --надпровідних плівка - останню плівку можна нанести методом катодногорозпилення.
Готові переходи захищають від впливу атмосфери шаром фоторезиста. Дляотримання відтворюваних тунельних систем необхідно, щоб міжопераціями плівка не піддавалася впливу атмосфери тому адсорбціягазів на поверхні плівок може викликати неконтрольоване змінахарактеристик переходу.
Список літератури:

Г.М. Кадикова «надпровідних матеріалів» М. МІЕМ 1990
А.Ф. Волков, Н.В. Заваріцкій «Електронні пристрої на основі слабосвязнихнадпровідників »М. Советское радио 1982
Р. Беррі, П. Холл, М. Гарріс «Тонкоплівкова технологія» М. Енергія 1979
Т. Ван-Дузер Ч.У. Тернер «Фізичні основи сверхпроводнікових пристроїв іланцюгів »М. Радіо і зв'язок 1984