Магнітометри на СКВІДах.

Зміст:

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

1. Надпровідність. Основні параметри надпровідників.


Явище надпровідності полягає в тому, що при деякій температурі, близькій до абсолютного нуля, Електроопір в деяких матеріалах зникає. Ця температура називається критичною температурою переходу в надпровідний стан.
Надпровідність виявлено більш ніж у 20 металів і великої кількості сполук і сплавів (Тк? 23К), а також у керамік (Тк> 77,4 К - високотемпературні надпровідники.)
Надпровідність матеріалів з Тк? 23К пояснюється наявністю в речовині пар електронів, що володіють енергією Фермі, протилежними спинами і імпульсами (пари Купера), які утворюються завдяки взаємодії електронів з коливаннями іонів решітки - фононами. Всі пари знаходяться, з точки зору квантової механіки, в одному стані (вони не підкоряються статистиці Фермі тому що мають цілочисельний спін) і узгоджені між собою за всіма фізичними параметрами, тобто утворюють єдиний надпровідний конденсат.
Надпровідність керамік, можливо, пояснюється взаємодією електронів з будь-якими іншими квазічастинками.
За взаємодії з магнітним полем надпровідники діляться на дві основні 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 руйнується надпровідність і поле проникає всередину провідника, називається критичним магнітним полем Нк. У надпровідників другого роду існує проміжок напруженості магнітного поля НК2> Н> Нк1, де індукція всередині надпровідників менше індукції провідника в нормальному стані. Нк1 - нижнє критичне поле, НК2 - верхнє критичне поле. Н <Нк1 - індукція в надпровідники другого роду дорівнює нулю, Н> НК2 - надпровідність порушується. Через ідеальні надпровідники другого роду можна пропускати струм силою: (критичний струм). Пояснюється це тим, що поле, що створюється струмом, перевищить Нк1, вихрові нитки, що зароджуються на поверхні зразка, під дією сил Лоренца, рухаються всередину зразка з виділенням тепла, що призводить до втрати надпровідності.

2. Ефект Джозефсона.

Якщо два надпровідників з'єднати один з одним «слабким» контакту, наприклад найтоншої смужкою з діелектрика, через нього піде тунельний надпровідний струм, тобто відбудеться тунелювання надпровідних Куперівська пар. Завдяки цьому обидві системи надпровідників пов'язані між собою. Зв'язок цей дуже слабка, тому що мала ймовірність тунелювання пар навіть через дуже тонкий шар ізолятора.
Наявність зв'язку призводить до того, що в наслідку процесу обміну парами стан обох систем змінюється в часі. При цьому інтенсивність і напрямок обміну визначається різницею фаз хвильових функцій між системами. Якщо різниця фаз? =? 1 -? 2, тоді з квантової механіки слід. Енергії в точках в одну й іншу сторону бар'єру Е1 і Е2 можуть відрізнятися тільки якщо між цими точками існує різниця потенціалів Us. У цьому випадку (1).
Якщо надпровідники пов'язані між собою з одного боку і розділені слабким контактом з іншого, то напруга на контакті можна викликати, змінюючи магнітний потік усередині утворився контуру. При цьому. Враховуючи, що квант потоку і потік Ф через контур може бути лише nФ0, де n = 0,? 1,? 2, № 3, ... Джозефсон передбачив, що (2)
Де:
Is - струм через контакт
Ic - максимальний постійна джозефсонівських токчерез контакт
? - Різниця фаз.
З (1), (2) слід.
Оскільки на фазовий співвідношення між системами влеяет магнітне поле, то надпровідним струмом контуру можна керувати магнітним полем. У більшості випадків використовується не один джозефсонівських контакт, а контур з декількох контактів, включених паралельно, так званий надпровідний квантовий інтерферометр Джозефсона (СКВІД). Величина магнітного поля, необхідного для керування струмом, залежить від площі контуру і може бать дуже мала. Тому СКВІДи застосовують там, де потрібна велика чутливість.
Відомі кілька типів джозефсонівських контактів, але найбільш поширеним є такі:

Контур СКВІДа утворений циліндричної плівкою з Pb нанесеною на кварцовий циліндр довжиною 18 мм із зовнішнім діаметром 8 мм, а внутрішнім 6мм. Описана тут конструкція яв2 мм ляется датчиком включеним в електричну схему, що забезпечує вимірювання та індикацію відгуку датчика
1.5мм на зміну зовнішнього магнітного поля. Така система являє з 600нм600нм бій магнітометр.

4. 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 переходи чутливі як до малих полям10-17Тл, так і до зміни великих полів? 1Тл. З'єднання має такі грати: атоми ніобію розташовані в місцях, зайнятих на малюнку і утворюють зі своїми найближчими сусідами три ланцюжки, перпендикулярні один - до одного:

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

З'єднання Nb3Sn крихко і виріб з нього не можуть бать отримані звичайним металургійним шляхом, тобто виплавкою з наступною деформацією. Масивні вироби з цього з'єднання: циліндри, пластини і т.д. отримують, як правило, металокерамічних методом, тобто змішуючи у відповідних пропорціях порошки ніобію та олова, пресуючи вироби потрібної форми і нагріваючи їх до температури освіти хімічної сполуки Nb3Sn, звичайно в інтервалі 960-1200O.

5. Отримання джозефсонівських переходів.

Джозефсонівських тунельні переходи являють собою два тонкі надпровідні плівки розділені бар'єрним шаром діелектрика або напівпровідника. Розглянемо деякі з методів отримання переходів з діелектричним бар'єром. На ретельно очищену підкладку у вакуумі наноситься першим плівка надпровідного з'єднання товщиною в кілька тисяч ангстрем.
Нанесення першого плівки здійснюється шляхом катодного розпилення.

1. Катод
2. Розпилюючи газ
3. До вакуумному насосу
4. Держатель з підкладкою
5. Постійна напруга 4 кВ
6. ВЧ - генератор 3-300 МГц

Газовий розряд при низькому тиску можна порушити високочастотним електричним 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 були досягнуті швидкості осадження до 1А/сек. При зсуві на катоді - мішені 500В.
Для високочастотного катодного розпилення Nb3Sn необхідний вакуум перед розпиленням 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 в них, як правило з часом відбуваються структурні зміни: протягом дислокацій, деформація меж зерен, що може значно погіршити властивості тунельного переходу (наприклад виникнути закороткому).
Одним із способів усунення цих небажаних явищ полягає у внесенні в плівку домішок стабілізуючих їх структуру. Так плівки утворюють тунельний 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 при температурі 75ОС протягом 2ч., Що призводило до стабілізації властивостей переходу.
Наступним важливим етапом одержання тунельного переходу є утворення бар'єрного шару, як правило, це шар оксиду на поверхні першого плівки. Властивості тунельного переходу і його термін служби визначається насамперед якістю бар'єрного шару. Цей шар повинен бути щільним, тонким (? 2нм), рівним, не мати пір і не мінятися з часом при температурному ціклірованіі.
Найбільш вдалий метод приготування тунельних бар'єрів полягає в окисленні плівки в слабкому ВЧ розряді в атмосфері кисню. Підкладка з плівковим електродом кріпиться до катода розрядної камери. Спочатку поверхню плівки очищають від природного окислення шляхом ВЧ катодного розпилення в атмосфері аргону при тиску 0.5 Па протягом 1-5 хв. Відразу після цього аргон в камері замінюється киснем або аргонокіслородной сумішшю і запалюється розряд на частоті 13.56 МГц. За певний час на плівці, що знаходиться в розряді, утворився шар оксиду необхідної товщини. Для отримання тунельних бар'єрів товщиною 2-5нм необхідно підтримувати розряд потужністю 0.003-0,1 Вт/мм2 протягом 10-20 хв.
Застосовують тунельні переходи з бар'єром з напівпровідника. Як матеріал бар'єру використовується різні п/п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs та ін
Основний метод нанесення п/п бар'єру - розпорошення. Однак у напиленням шарі п/п є багато отворів і порожнеч, наявність яких сприяє появі закороток у переході. Для усунення цього недоліку після напилення бар'єру перехід піддається окислення. У результаті закороткому дійсно 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 не створенням бар'єру на надпровідної плівці, а навпаки, нанесенням плівки на обидва боки тонкої монокристалічний п/п мембрани з Si. Відомо, що швидкість травлення монокристалічного Si перпендикулярно площині (100) в 16 разів більше ніж у напрямку площині (111). У результаті цього в пластині Si, поверхня якого паралельна (100), при травлення невеликого, незахищеного фоторезистом ділянки, утворюються ямки. Бічні стінки ямки утворюють площини (111) під кутом 54.7О до поверхні. Таким чином, 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 чином автоматично зупинити травлення. Це досягається за допомогою легування бором зворотного боку кремнієвої підкладки на глибину рівну необхідної товщини мембрани. Швидкість травлення швидко падає, коли досягається шар Si з концентрацією бору, що дорівнює n = 4? 1019 см-3, і повністю зупиняється при n = 7? 1019 см-3. Таким чином були отримані мембрани товщиною 40-100 нм. Далі з двох боків наносяться надпровідні плівки, що утворюють перехід.
У разі послідовного напилювання: надпровідних плівка - бар'єр - надпровідних плівка - останню плівку можна нанести методом катодного розпилення.
Готові переходи захищають від впливу атмосфери шаром фоторезиста. Для отримання відтворюваних тунельних систем необхідно, щоб між операціями плівка не піддавалася впливу атмосфери тому адсорбція газів на поверхні плівок може викликати неконтрольоване зміна характеристик переходу.

Список літератури:

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