Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства - СКВИДы

Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства - СКВИДы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Пензенский государственный университет

Кафедра «Электрические и электронные аппараты»

Реферат

«Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства - СКВИДы»

Выполнил: студент группы 02РА1

Заонегин Антон

Александрович

Проверила: Каминская Татьяна

Петровна

Пенза

2005

Содержание

Содержание 2

Введение 3

1 Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников 4

2 Эффект Джозефсона. 5

3 Магнитометр 6

4 Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn 7

5 Получение переходов Джозефсона 8

6 Техническое воплощение 10

6.1 Сканирующий СКВИД- микроскоп 10

6.2 Лазерная СКВИД– микроскопия 13

Литература 15

Введение

Из всех, достаточно многочисленных устройств сверхпроводниковой

нелинейной электроники, базирующихся на эффекте Джозефсона, в настоящее

время наиболее широко известны магнитометры на основе сверхпроводниковых

квантовых интерферометров, так называемых СКВИДов.

В данной работе рассмотрим принцип работы СКВИД и рассмотрим области

применения этих высокотехнологичных устройств.

1 Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников

Явление сверхпроводимости состоит в том, что при некоторой

температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление 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 [pic], а также у керамик ([pic] –

высокотемпературные сверхпроводники).

Сверхпроводимость материалов с [pic] 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). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается

сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется

критическим магнитным полем [pic]. У сверхпроводников второго рода

существует промежуток напряженности магнитного поля [pic], где индукция

внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.

[pic] – нижнее критическое поле, [pic] – верхнее критическое поле. [pic] –

индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, [pic]–

сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода

можно пропускать ток силой:[pic] (критический ток). Объясняется это тем,

что поле, создаваемое током, превысит [pic], вихревые нити, зарождающиеся

на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь

образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Таблица 1. [pic], [pic], [pic] некоторых металлов и соединений:

|Вещество |[pic] |[pic] |[pic] |

|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 Эффект Джозефсона.

Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом,

например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный

сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящих

куперовских пар. 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 [pic], тогда из законов квантовой механики

следует [pic]. Энергии в точках по одну и другую сторону барьера [pic] и

[pic] могут отличаться только если между этими точками существует разность

потенциалов [pic]. В этом случае:

[pic] (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 [pic]. Учитывая,

что квант потока [pic] и поток Ф через контур может быть лишь [pic], где

[pic]. Джозефсон предсказал, что:

[pic], (2)

где [pic] – ток через контакт, [pic] – максимальный постоянный

джозефсоновский ток через контакт, [pic] -- разность фаз.

Из (1), (2) следует:

[pic]

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 два: туннельный переход и переход типа мостик. Оба они

представлены на рисунке 1.

[pic]

Рисунок 1

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.

[pic]

Рисунок 2

Если к такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце

циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться из постоянного тока

[pic] в [pic] и складываться в [pic]. Тогда максимальный ток кольца

зависит от магнитного потока [pic] и равен:

[pic],

где [pic] – ток кольца, [pic] – квант потока, [pic] – захваченный поток.

При этом

[pic],

где [pic] – сопротивление перехода, [pic] – индуктивность кольца.

(U – достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными

электронными приборами.

[pic]

Рисунок 3

Левая часть рисунка 3: ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя

джозевсоновскими переходами. Правая часть рисунка 3: Зависимость [pic] от

внешнего потока, где [pic] – число квантов потока пронизывающих контур.

Техническая реализация магнитометров на СКВИДе на постоянном токе с 2-

мя тунельными переходами представлена на рисунке 4.

Контур СКВИДа образован цилиндрической пленкой из Pb нанесенной на

кварцевый цилиндр длинной 18 мм с наружным диаметром 8мм, а внутренним 6мм.

Описанная здесь конструкция является датчиком включенным в электрическую

схему, обеспечивающую измерение и индикацию отклика датчика на изменение

внешнего магнитного поля. Такая система представляет собой магнитометр.

4 Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn

Соединение Nb3Sn имеет [pic] и [pic] при 4,2 К. Благодаря таким

параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к

малым полям [pic], так и к изменению больших полей [pic]. Соединение имеет

такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и

образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг –

другу:

[pic]

Рисунок 4

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.

Соединение Nb3Sn 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 Nb3Sn, обычно в

интервале [pic].

5 Получение переходов Джозефсона

Туннельные переходы Джозефсона 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.

Схема установки представлена на рисунке 5.

[pic]

Рисунок 5

Где:

Катод

Распыляющий газ

К вакуумному насосу

Держатель с подложкой

Постоянное напряжение 4 кВ

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 [pic]. При смещении на катоде – мишени

500В.

Для высокочастотного катодного распыления Nb3Sn необходим вакуум перед

распылением 10-4Па, температура подложки [pic], 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), Nb3Sn (350нм) для нижнего электрода и Nb3Sn (300нм),

Au(5нм), Nb3Sn(200нм) для верхнего электрода. После этого пленки

выдерживались при температуре 75ОС 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/мм2 в течении 10-20 мин.

Применяют туннельные переходы с барьером из полупроводника. В качестве

материала барьера используется различные полупроводники: CdS, CdSe, Ge,

InSb, CuAs и другие.

Основной метод нанесения полупроводникового барьера – распыление.

Однако в напыленном слое полупроводника 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

[pic] к поверхности. Таким образом, размер дна ямки [pic], т.е. размер

мембраны определяется соотношением [pic], где [pic] – размер открытого

незащищенного участка поверхности, [pic] – 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 [pic], и полностью останавливается при

[pic]. 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.

Готовые переходы защищают от влияния атмосферы слоем фоторезиста. Для

получения воспроизводимых туннельных систем необходимо, чтобы между

операциями пленка не подвергалась воздействию атмосферы т.к. адсорбция

газов на поверхности пленок может вызвать неконтролируемое изменение

характеристик перехода.

6 Техническое воплощение

6.1 Сканирующий СКВИД- микроскоп

Рассмотрим сканирующий СКВИД- микроскоп на примере ССМ-77- СКВИД

микроскопа, разработанного и изготовленного на физическом факультете МГУ

при сотрудничестве с ИЗМИРАН в 1994 г. Этот микроскоп является единственным

в России действующим макетом сканирующего СКВИД-микроскопа, относящегося к

классу устройств, позволяющих получать изображения распределения магнитного

поля над поверхностью исследуемого объекта с пространственным разрешением

от единиц микрометров до нескольких миллиметров и чувствительностью от

десятков наноТесла до долей пикоТесла. В сканирующем СКВИД-микроскопе

образец перемещается в плоскости X-Y относительно СКВИДа, при этом СКВИД

измеряет нормальную к поверхности образца компоненту магнитного поля Вz. Во

время сканирования выходной сигнал СКВИДа регистрируется в зависимости от

текущих координат и преобразуется с помощью компьютера в двумерное или

трехмерное изображение распределения магнитного поля.

[pic]

Рисунок 6

На рисунке 6 представлена функциональная схема ССМ-77. Основной частью

ССМ является криогенная штанга, которая охлаждается в криостате с жидким

азотом внутри защитных магнитных экранов. В охлаждаемой части штанги

размещены СКВИД и исследуемый образец. Образец крепится на подвижном

координатном механизме, который приводится в движение шаговыми двигателями

и перемещает образец в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Сигнал

со СКВИДа, пропорциональный действующему магнитному потоку, регистрируется

с помощью специализированной СКВИД электроники и записывается в

персональный компьютер вместе с текущей координатой точки образца, над

которой производится измерение.

В качестве хладагента в ССМ-77 используется жидкий азот, заливаемый в

простой стеклянный азотный криостат. Продолжительность работы ССМ-77 при

однократной заливке криостата в нашем случае составляет 12 часов и

определяется размером используемого криостата.

ССМ-77 позволяет получать изображения распределения магнитного поля с

пространственным разрешением 50 – 20 мкм. Он использовался для исследования

свойств высокотемпературных сверхпроводящих тонких пленок и тонкопленочных

структур, ультратонких пленок Ni. С его помощью были получены магнитные

“портреты” Джорджа Вашингтона на однодолларовой купюре и банковского номера

на сторублевой купюре, записаны изображения магнитной регистрирующей среды

на фрагменте стандартной дискеты, визуализировано поведение ансамбля

доменов в структурах с гигантским магнитным импедансом.

[pic]

Рисунок 7

В качестве примера на рисунке 7 представлено изображение распределения

магнитного поля вблизи поверхности сверхпроводящей YBa2Cu3O7-x пленки (на

расстоянии 20 мкм) при температуре кипения жидкого азота 77 К. Резкие

магнитные особенности, видимые на изображении, соответствуют одиночным

квантам магнитного потока, проникшим в пленку (1 квант потока [pic]).

Изучение распределения магнитных вихрей в ВТСП пленках позволяет судить о

качестве пленок и перспективах их использования в сверхпроводниковой

электронике.

[pic]

Рисунок 8

ССМ-77 использовался для визуализации магнитной структуры в ГМИ

элементах. На рисунке 8 представлено магнитное изображение пермаллоевого

полоскового элемента толщиной 1 мкм и размерами от 6 мм до 0,4 мм.

Топография нормальной компоненты магнитного поля над центральной частью

образца была визуализирована с пространственным разрешением порядка 30 мкм.

Изображение, полученное в остаточном магнитном поле порядка 0,2 мкТ, хорошо

соответствует доменной структуре с анизотропией перпендикулярной продольной

оси образца.

Дальнейшее развитие сканирующих СКВИД-микроскопов связано с

увеличением пространственного разрешения устройств до субмикронного

масштаба, необходимого для изучения наноструктур. Разработка методов

восстановления магнитной структуры образца по измеренным полям рассеяния

позволит понять физические особенности магнитных явлений. Перспективным

направлением является создание СКВИД-микроскопов для измерения образцов при

комнатной температуре (ССМ-300), что позволит значительно расширить область

их применения.

6.2 Лазерная СКВИД– микроскопия

Лазерная СКИД– микроскопия – относительное новое направление в

технологии СКВИД. Высокотехнологичная промышленность нуждается в

высокочувствительных неразрушающих методах контроля качества продукции. Как

результат, появился новый метод, позволяющий тестировать микросхемы и иные

полупроводниковые устройства, - лазерная СКВИД- микроскопия.

Техника неразрушающего контроля дефектов в кремниевых подложках и

интегральных схемах с помощью СКВИДов сделала шаг вперед - на смену СКВИД-

микроскопии пришла лазерная сквид-микроскопия, позволившая значительно

расширить площадь сканирования и чувствительность метода, а также

использовать его на производственной линейке в процессе изготовления

микросхем. Основная идея метода - обнаружение слабых магнитных полей,

генерируемых фототоком, индуцированным лазерным лучом: образец сканируется

лазерным лучом, наведенный фототок генерирует магнитное поле, которое

регистрируется СКВИДом. Главным преимуществом нового метода является

возможность контролировать микросхемы без подключения к ним питания, что

являлось общим недостатком всех предыдущих методов.

[pic]

Рисунок 9. Схематическое изображение устройства

Одними из первых лазерный СКВИД-микроскоп создали специалисты японской

фирмы NEC. Принцип работы системы "лазер- СКВИД" показан на рисунке 6.

Изготовленный из высокотемпературного сверхпроводника (что не требует

использования дорогостоящего жидкого гелия в качестве хладоагента) СКВИД

постоянного тока помещается с одной стороны от исследуемого объекта (на

расстоянии вплоть до 100 мкм), с другой стороны объект подсвечивается

лазером. Существует два механизма наведения тока лазерным лучом - OBIC

(Optical Beam Induced Current) эффект и эффект Зеебека; в изготовленном

специалистами фирмы NEC лазерном СКВИД-микроскопе происходила регистрация

токов, возникающих благодаря OBIC эффекту. Переходные токи быстро затухают

и СКВИД на постоянном токе "не успевает" их обнаружить (время отклика

такого СКВИД а порядка 1 мкс). Однако СКВИД обнаруживает постоянно текущие

токи в замкнутых цепях и, таким образом, удается обнаружить короткие

замыкания в схемах. Также удается обнаружить области с большим

сопротивлением, связанные с дефектными p-n переходами. Кристалл со СКВИД ом

(охлаждаемым до 77 К), держатель образца и объектная линза помещаются в

магнитно-экранированный объем, где и происходит сканирование образца. С

помощью специального приспособления образцы можно устанавливать и заменять

без нарушения вакуума. Используя систему "лазер- СКВИД ", сотрудники

японской фирмы NEC получили изображение p-n перехода с пространственным

разрешением 1.3 мкм, что в 40 раз лучше, чем при использовании обычной

СКВИД - микроскопии.

Литература

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-Дузер Ч.У. Тернер «Физические основы сверхпроводниковых устройств

и цепей» М. Радио и связь 1984

5. Сайт «Новости науки». www.scientific.ru

6. О. В. Снигирев. Сверхчувствительная СКВИД-магнитометрия. Журнал «Успехи

физических наук». Том 169, №2. Научная сессия Отделения общей физики и

астрономии Российской академии наук. Моксва, 25 октября 1998 г.