Магнітометри

Московський державна інституція електроніки і математики.

(технічний университет).

Курсова робота до подання на кафедру «Матеріалознавство» на тему:

Магнітометри на СКВИДах.

Виконав: Подчуфаров А.И.

Викладач: Петров В.С.

Зараховано: 04.06.96.

ФІТ ЭП-41.

Москва 1996 г.

1. Надпровідність. Основні параметри сверхпроводников…3 2. Ефект Джозефсона… …4 3. Магнітометр… …5 4. Надпровідний матеріал — з'єднання Nb3Sn…8 5. Одержання джозефсоновских переходов…9 6. Список літератури… …13 1. Надпровідність. Основні параметри сверхпроводников.

Явище надпровідності у тому, що з деякою температурі, близька до абсолютному нулю, электросопротивление у деяких матеріалах зникає. Ця температура називається критичної температурою переходу в надпровідний состояние.

Надпровідність виявлено у 20 металів і його великого кількості сполук і сплавів (Тк (23К), і навіть у керамік (Тк > 77,4К — високотемпературні сверхпроводники.).

Надпровідність матеріалів з Тк (23К пояснюється наявністю в речовині пар електронів, які мають енергією Фермі, протилежними спинами і імпульсами (пари Купера), утворювані завдяки взаємодії електронів з коливаннями іонів грати — фононами. Усі пари перебувають, з погляду квантової механіки, щодо одного стані (де вони підпорядковуються статистиці Фермі т.к. мають целочисленный спін) і узгоджені між собою за всіма фізичними параметрами, тобто утворюють єдиний надпровідний конденсат.

Надпровідність керамік, можливо, пояснюється взаємодією електронів із будь-яким іншими квазичастицами.

По взаємодії з магнітним полем надпровідники діляться на дві основні групи: надпровідники I і II рода.

Надпровідники першого роду при приміщенні в магнітне полі «виштовхують» останнє отже індукція всередині надпровідника дорівнює нулю (ефект Мейсснера). Напряжонность магнітного поля, у якому руйнується надпровідність і полі проникає всередину провідника, називається критичним магнітним полем Нк. У надпровідників другого роду існує проміжок напруженості магнітного поля Нк2 > М > Нк1, де індукція всередині надпровідника менше індукції провідника у стані. Нк1 — нижнє критичне полі, Нк2 — верхнє критичне полі. М < Нк1 — індукція в сверхпроводнике другого роду дорівнює нулю, М > Нк2 — надпровідність порушується. Через ідеальні надпровідники другого роду можна пропускати струм силою: [pic] (критичний струм). Пояснюється це тим, що полі, створюване струмом, перевищить Нк1, вихрові нитки, зароджувані на поверхні зразка, під впливом сил Лоренца, рухаються всередину зразка, з виділенням тепла, що зумовлює втрати сверхпроводимости.

Tk, Нк1, Нк2, деяких металів і сполук: |Речовина |Тк До |(0Нк1 Тле |(0Нк2 Тле | |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 надпровідника з'єднати друг з одним «слабким» контактом, наприклад найтоншої смужкою з диэлектрика, нього піде тунельний надпровідний струм, тобто. станеться туннелирование надпровідних куперовских пар. Завдяки цьому обидві системи надпровідників пов’язані між собою. Зв’язок ця слабка, т.к. низька можливість тунелювання пар навіть через дуже тонке шар ізолятора. Наявність зв’язку призводить до того, що у слідстві процесу обміну парами стан обох систем змінюється у часі. У цьому інтенсивність і напрям обміну визначається різницею фаз хвильових функцій між системами. Якщо різницю фаз (=(1 — (2, тоді з квантової механіки слід [pic]. Енергії в точках на одному і той бік бар'єра Е1 і Е2 можуть бути різні лише коли між тими точками існує різницю потенціалів Us. І тут [pic] (1). Якщо надпровідники пов’язані між собою з одного сторони, і розділені слабким контактом з іншого, ту напругу на контакті можна викликати, змінюючи магнітний потік всередині що утворився контуру. У цьому [pic]. З огляду на, що квант потоку [pic] і потік Ф через контур може лише nФ0, де n=0,(1,(2,(3,… Джозефсон передбачив, що [pic] (2) Где:

Is — струм через контакт.

Ic — максимальний постійний джозефсоновский струм через контакт.

(— різницю фаз.

З (1), (2) слід [pic].

Оскільки на фазове співвідношення між системами влеяет магнітне полі, то сверхпроводящим струмом контуру можна управляти магнітним полем. У вона найчастіше використовується чимало джозефсоновский контакт, а контур з кількох контактів, включених паралельно, так званий надпровідний квантовий интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнітного поля, який буде необхідний управління струмом, залежить від площі контуру і може бать дуже мала. Тому СКВИДы застосовують там, де потрібна велика чутливість. Відомі кілька типів джозефсоновских контактів, але це найбільш поширені следующие:

изолятор

(1нм сверхпроводники.

тунельний перехід перехід типу «мостик».

Магнитометр.

Магнітометр — прилад з урахуванням джозевсоновских переходів, що застосовується для виміру магнітного поля і градієнта магнітного поля. У магнитометрах використовуються СКВИДы 2х типів: постійному струмі і перемінному. Розглянемо магнітометр на СКВДах постійного тока.

I.

A B.

U.

переходи джозефсоновские Если до такого кільцю докласти полі, воно буде наводити в кільці який циркулює надпровідний струм. Він вычитаться з постійного струму I в Проте й складатися в У. Тоді максимальний струм кільця залежить від магнітного потоку Ф дорівнює: [pic] Ic — струм кільця, Ф0 — квант потоку, Ф — захоплений потік. У цьому [pic] R — опір переходу, l — индуктивность кільця. (U — сягає кількох мікровольт і то, можливо виміряти звичайними електронними приборами.

I Imax nФ0.

(n+½)Ф0.

U n.

Рисунок зліва: ВАХ сверхпроводящего кільця з 2-мя джозевсоновскими переходами. Малюнок справа: Залежність Imax від зовнішнього потоку n — число квантів потоку пронизуючих контур.

Техническая реалізація магнітометрів на СКВИДе постійному струмі з 2-мя тунельными переходами.

Кварцова трубка.

Смужку з Pb.

Платиновий электрод.

Pb.

Джозефсоновские переходы.

Платиновий электрод.

Контур СКВИДа освічений циліндричною плівкою з Pb завданої на кварцовий циліндр довгою 18 мм з зовнішнім діаметром 8 мм, а внутрішнім 6 мм.

Описана тут конструкція яв- 2 мм ляется датчиком включеною у электрическую схему, що забезпечує измерение і індикацію відгуку датчика.

1.5мм зміну зовнішнього магнітного поля. Така система представляє зі- 600нм 600нм бій магнитометр.

20 нм Сверхпроводящий матеріал — з'єднання Nb3Sn.

Поєднання Nb3Sn має Тк=18.2К і Нк2=18.5 МА/m ((0Нк=23Тл) при 4.2К. Завдяки таким параметрами можна було одержати джозефсоновские переходи чутливі як до малих полях 10−17Тл, і зміну великих полів (1Тл. Поєднання має таку грати: атоми ніобію перебувають у місцях, зайнятих малюнку й утворюють відносини із своїми найближчими сусідами три ланцюжка, перпендикулярні друг — другу:

Nb.

Sn.

Атомы ніобію у тих ланцюжках пов’язані додатковими ковалентными зв’язками. Ланцюжка ніобію в кристалічною структурі, щоб одержати понад які проводять властивостей нічого не винні порушитися, що може статися при надлишку атомів олова або за недостатньою ступеня ладу у кристалічній решітці. Діаграма фазового рівноваги системи Nb-Sn приведено на рисунке:

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 Поєднання Nb3Sn крихко і виріб потім із нього що неспроможні бать отримані звичайним металургійним шляхом, тобто. выплавкой із наступною деформацією. Масивні вироби від цього сполуки: циліндри, пластини тощо. отримують, як правило, металлокерамическим методом, тобто. змішуючи у пропорціях порошки ніобію і олова, пресуючи вироби потрібної форми і нагріваючи їх до температури освіти хімічного сполуки Nb3Sn, зазвичай, у інтервалі 960−1200O.

Получение джозефсоновских переходов.

Джозефсоновские тунельні переходи є дві тонкі сверхпроводящие плівки розділені бар'єрним шаром диэлектрика чи напівпровідника. Розглянемо що з методів отримання переходів з диэлектрическим бар'єром. На старанно очищену підкладку в вакуумі наноситься перша плівка сверхпроводящего сполуки завтовшки кілька тисяч ангстрем. Нанесення першої плівки здійснюється шляхом катодного распыления.

2 3 5.

Катод Распыляющий газ До вакуумному насмокчу Утримувач з підкладкою Постійне напруга 4 кВ ВЧ — генератор 3−300 МГц Газовый розряд за низького тиску можна порушити высокочастотным електричним полем. Тоді, у газовому проміжку, що містить аргон, виникає тліючий розряд. Виниклі у своїй позитивні іони, розганяють електричним полем, вдаряються про катод розпорошуючи сплав. Вылетающие з катода атоми глушаться на підкладці. У такій системі були досягнуто швидкості осадження до 1А/сек. При зміщення на катоді - мішені 500 В. Для високочастотного катодного розпорошення Nb3Sn необхідний вакуум перед розпиленням 10−4Па, температура підкладки 900OС, чистота напускаемого аргону 99,999%, його тиск менш 1Па. Для якості тунельного переходу велике значення має тут структура плівки. У напилених плівках зазвичай сильно викривлена кристалічна решітка, й у них, зазвичай згодом відбуваються структурні зміни: протягом дислокаций, деформація кордонів зерен, що нафта може значно погіршити властивості тунельного переходу (наприклад виникнути закоротки). Однією з способів усунення цих небажаних явищ полягає у внесенні в плівку домішок стабілізуючих їх структуру. Так плівки що утворюють тунельний перехід виходили послідовним напилюванням In (49нм), Au (9нм), Nb3Sn (350нм) для нижнього електрода і Nb3Sn (300нм), Au (5нм), Nb3Sn (200нм) для верхнього електрода. Після цього плівки дотримувались при температурі 75ОС протягом 2ч., що призводило стабілізації властивостей переходу. Наступним важливим етапом отримання тунельного переходу є освіту бар'єрного шару, зазвичай, це шар окисла лежить на поверхні першої плівки. Властивості тунельного переходу та її термін їхньої служби визначається передусім якістю бар'єрного шару. Цей шар може бути щільним, тонким ((2нм), рівним, не мати пір і змінюватися згодом при температурному циклировании. Найбільш вдалий метод приготування тунельних бар'єрів полягає у окислюванні плівки у слабкому ВЧ розряді у атмосфері кисню. Підкладка з плівковим електродом кріпиться до катоду розрядної камери. Спочатку поверхню плівки очищають від природного окислення шляхом ВЧ катодного розпилення атмосфері аргону при тиску 0.5 Па протягом 1−5 хв. Відразу після цього аргон в камері замінюється киснем чи аргонокислородной сумішшю і запалюється розряд на частоті 13.56 МГц. За певний час на плівці, що у розряді, утворився шар окисла товщини. Для отримання тунельних бар'єрів завтовшки 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 матеріалу бар'єра використовується різні п/п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs і ін. Основний метод нанесення п/п бар'єра — розпорошення. Однак у напыленном шарі п/п є багато отворів і порожнин, наявність яких сприяє появі закороток у переході. Для усунення цієї вади після напилювання бар'єра перехід піддається окислювання. Через війну закоротки справді не виникають, але властивості бар'єра при це погіршуються: зменшується максимальна щільність струму, величина ємності збільшується. Найкращі тунельні переходи з полупроводниковым бар'єром, виходять, коли бар'єр є монокристал. Такі переходи реалізовані не створенням бар'єра на сверхпроводящей плівці, а навпаки, нанесенням плівки на обидві сторони тонкої монокристаллической п/п мембрани з Si. Відомо, що швидкість травлення монокристалічного Si перпендикулярно площині (100) в 16 разів більшою за у бік площині (111). Внаслідок цього в пластині Si, поверхню якого паралельна (100), при травленні невеликого, незахищеного фоторезистом ділянки, утворюються ямки. Бічні стінки ямки утворюють площині (111) з точки 54.7О до. Таким чином, розмір дна ямки (1, тобто. розмір мембрани визначається співвідношенням [pic], де (2 — розмір відкритого незахищеного ділянки поверхні, t — глибина ямки. Щоб самому отримати мембрану потрібної товщини, необхідно якимось чином автоматично зупинити травлення. Це досягається з допомогою легування бором зворотного боку кремнієвої підкладки на глибину рівну необхідної товщині мембрани. Швидкість травлення швидко падає, коли досягається шар Si з концентрацією бору, рівної n=4(1019 см-3, й цілком зупиняється при n=7(1019 см-3. Отже отримано мембрани завтовшки 40−100 нм. Далі обабіч наносяться сверхпроводящие плівки, що утворюють перехід. Що стосується послідовного напилювання: надпровідна плівка — бар'єр — надпровідна плівка — останню плівку можна завдати методом катодного розпорошення. Готові переходи захищають тяжіння атмосфери шаром фоторезиста. Для отримання відтворювальних тунельних систем необхідно, щоб між операціями плівка не піддавалася впливу атмосфери т.к. адсорбція газів лежить на поверхні плівок може викликати неконтрольоване зміна характеристик переходу.

Список литературы

:

Г. Н. Кадыкова «Сверхпроводящие матеріали» М. МИЭМ 1990 А. Ф. Волков, Н. В. Заварицкий «Електронні устрою з урахуванням слабосвязных надпровідників» М. Радянське радіо 1982 Р. Беррі, П. Голл, М. Гарріс «Тонкопленочная технологія» М. Енергія 1979 Т. Ван-Дузер Ч. У. Тернер «Фізичні основи сверхпроводниковых пристроїв і ланцюгів» М. Радіо і зв’язок 1984.