Ѕаза знаний студента. –еферат, курсова€, контрольна€, диплом на заказ

курсовые,контрольные,дипломы,рефераты

—верхпровод€щие материалы в электронике. ћагнитометр на — ¬»ƒах — –адиоэлектроника

ѕосмотреть видео по теме  урсовой

ћосковский государственный институт электроники и математики

(технический университет)

 урсова€ работа

дл€ представлени€ на кафедру Ђћатериаловедениеї

на тему:

ћагнитометры на — ¬»ƒах.†

¬ыполнил: ѕодчуфаров ј.».

ѕреподаватель: ѕетров ¬.—.

«ачтено: 04.06.96

‘»“† Ёѕ-41

ћосква 1996 г.
—одержание:

 

 

 

 

1. —верхпроводимость. ќсновные параметры сверхпроводников.....3

2. Ёффект ƒжозефсона.........................................................................4

3. †ћагнитометр....................................................................................5

4. —верхпровод€щий материал - соединение Nb3Sn...........................8

5. ѕолучение джозефсоновских переходов.........................................9

6. —писок литературы..........................................................................13


1. —верхпроводимость. ќсновные параметры сверхпроводников.

†††††††††

††††††††† явление сверхпроводимости состоит в том, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление в некоторых материалах исчезает. Ёта температура называетс€ критической температурой перехода в сверхпровод€щее состо€ние.

††††††††† —верхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (“к £ 23 ), а также у керамик (“к > 77,4  Ц высокотемпературные сверхпроводники.)

††††††††† —верхпроводимость материалов с “к £ 23  объ€сн€етс€ наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией ‘ерми, противоположными спинами и импульсами (пары  упера), которые образуютс€ благодар€ взаимодействию электронов с колебани€ми ионов решетки Ц фононами. ¬се пары наход€тс€, с точки зрени€ квантовой механики, в одном состо€нии (они не подчин€ютс€ статистике ‘ерми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпровод€щий конденсат.

—верхпроводимость керамик, возможно, объ€сн€етс€ взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами.

ѕо взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники дел€тс€ на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

—верхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле Ђвыталкиваютї последнее так, что индукци€ внутри сверхпроводника равна нулю (эффект ћейсснера). Ќапр€жонность магнитного пол€, при котором разрушаетс€ сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называетс€ критическим магнитным полем Ќк. ” сверхпроводников второго рода существует промежуток напр€женности магнитного пол€ Ќк2 > Ќ > Ќк1, где индукци€ внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состо€нии. Ќк1 Ц нижнее критическое поле, Ќк2 Ц верхнее критическое поле. Ќ < Ќк1 Ц индукци€ в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Ќ > Ќк2 Ц сверхпроводимость нарушаетс€. „ерез идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: †(критический ток). ќбъ€сн€етс€ это тем, что поле, создаваемое током, превысит Ќк1, вихревые нити, зарождающиес€ на поверхности образца,† под действием сил Ћоренца, двигаютс€ внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Tk, Ќк1, Ќк2, некоторых металлов и соединений:

¬ещество

к  

m0Ќк1†† “л

m0Ќк2†† “л

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)2CuO4

96

160±20

Y1.2Ba0.3CuO4-8

102

18 при 77 

††

2. Ёффект ƒжозефсона.

≈сли два сверхпроводника соединить друг с другом Ђслабымї контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный сверхпровод€щий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпровод€щих куперовских пар. Ѕлагодар€ этому обе системы сверхпроводников св€заны между собой. —в€зь эта очень слаба, т.к. мала веро€тность туннелировани€ пар даже через очень тонкий слой изол€тора.

Ќаличие св€зи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами состо€ние обеих систем измен€етс€ во времени. ѕри этом интенсивность и направление обмена определ€етс€ разностью фаз волновых функций между системами. ≈сли разность фаз ††††††j=j1 - j2, тогда из квантовой механики следует ††. Ёнергии в точках по одну и другую сторону барьера ≈1 и ≈2 могут отличатьс€ только если между этими точками существует разность потенциалов Us. ¬ этом случае †††(1).

≈сли сверхпроводники св€заны между собой с одной стороны и разделены слабым контактом с другой, то напр€жение на контакте можно вызвать, мен€€ магнитный поток внутри образовавшегос€ контура. ѕри этом †и поток ‘ через контур может быть лишь n‘0, где n=0,±1,±2,±3,... ƒжозефсон предсказал, что †(2)

√де:

†††††††††††††††††† Is Ц ток через контакт

†††††††††††††††††† Ic Ц максимальный посто€нный джозефсоновский ток ††††††††через контакт

†††††††††††††††††† j -- разность фаз.

††††††††† »з (1), (2) следует .

††††††††† ѕоскольку на фазовое соотношение между системами вле€ет магнитное поле, то сверхпровод€щим током контура можно управл€ть магнитным полем. ¬ большинстве случаев используетс€ не один джозефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый сверхпровод€щий квантовый интерферометр ƒжозефсона (— ¬»ƒ). ¬еличина магнитного пол€, необходимого дл€ управлени€ током, зависит от площади контура и может бать очень мала. ѕоэтому — ¬»ƒы примен€ют там, где нужна больша€ чувствительность.

»звестны несколько типов джозефсоновских контактов, но наиболее распространены следующие:

††

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† †††††††

††††††††††††††††††††††† изол€тор†††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††††††††††††††† ї 1н솆††††††††††††††††††††††††††††† †сверхпроводники

††††††† туннельный† перехо䆆†††††††††††††††††††††††††††† ††переход† типа Ђмостикї

3. ћагнитометр.

 

†ћагнитометр - прибор на основе джозевсоновских переходов, примен€ющийс€ дл€ измерени€ магнитного пол€ и градиента магнитного пол€. ¬ магнитометрах используютс€ — ¬»ƒы 2х типов: на посто€нном токе и переменном. –ассмотрим магнитометр на — ¬ƒах посто€нного тока.

†††††††††††††††† ††††††††††††††††††††††††††††††††††I

†††††††††††††††††††††††††††††† A†††††††††††††††††††††† B†††††††††††††††††††††† U

†††††††††††††††††

†††††††††††††††††††† переходы

†††††††††††††††††††† джозефсоновские

≈сли к такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце циркулирующий сверхпровод€щий ток. ќн будет вычитатьс€ из посто€нного тока I в ј и складыватьс€ в ¬. “огда† максимальный ток кольца зависит от магнитного потока ‘ и равен: ††Ic Ц ток кольца, ‘0 Ц квант потока, ‘ Ц захваченный поток. ѕри этом †††R Ц сопротивление перехода, l Ц индуктивность кольца. DU Ц достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электронными приборами.

† I†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† Imax

†††††††† n‘0

†††††††††††† (n+1/2)‘0

††††††††††††††††† ††††††††††††††††U†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† n††††††††††††††††††

–исунок слева: ¬ј’ сверхпровод€щего кольца с 2-м€ джозевсоновскими переходами.

–исунок справа: «ависимость Imax от внешнего потока

n Ц число квантов потока пронизывающих контур.

“ехническа€ реализаци€ магнитометров на — ¬»ƒе на посто€нном токе с 2-м€ тунельными переходами.

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††  варцева€ трубка

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† ѕолоска из Pb

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† ††††ѕлатиновый электрод

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† Pb

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† †††††††††††††††ƒжозефсоновские

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† переходы

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† †††††ѕлатиновый электрод

††††† ††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† онтур — ¬»ƒа

††††††††††††††††††††††††††††† ††††††††††††††††††††††††††††††образован цилиндрической

††††††† †††††††††††††††пленкой из Pb нанесенной на кварцевый цилиндр

†††††††††††††††††††††† длинной 18 мм с наружным диаметром 8мм, а††††††

†††††††††††††††††††††††††† внутренним 6мм.

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† ќписанна€ здесь конструкци€ €в-

2 м솆††††††††††††††††††††††††† л€етс€ датчиком включенным в электри-†

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††† ческую схему, обеспечивающую изме-

††††††††††††††††† †††††††††††††††††††††††рение и индикацию отклика датчика

†††††††††††††††† 1.5м솆††††††††††††† на изменение внешнего магнитного

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† пол€. “ака€ система представл€ет со-

600н솆††††††††††††††††††††††††††††††††† 600н솆††††††††††††† бой магнитометр.

††††††††††††††††† ††††††††††††††††††††††††††††20 нм

4. —верхпровод€щий материал Ц соединение Nb3Sn.

 

†††††††††

—оединение Nb3Sn имеет “к=18.2  и Ќк2=18.5 ћј/m (m0Ќк=23“л) при 4.2 . Ѕлагодар€ таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым пол€м ††††10-17“л, так и к изменению больших полей ї1“л. —оединение имеет такую решетку: атомы ниоби€ расположены в местах, зан€тых ††††††на рисунке и образуют со своими ближайшими сосед€ми три цепочки, перпендикул€рные друг Ц другу:

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† Nb

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† Sn

јтомы ниоби€ в этих цепочках св€заны дополнительными ковалентными св€з€ми. ÷епочки ниоби€ в кристаллической структуре, дл€ получени€ сверх провод€щих свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов олова или при недостаточной степени пор€дка в кристаллической решетке. ƒиаграмма фазового равновеси€ системы Nb-Sn †приведена на рисунке:

toC

2500

††††††††††††††††††† a+憆† 2000

2000

††††††††††††† a††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† ∆

1500†††††††††††††††††††††††††††††† Nb3Sn3

†††††††††††† a+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
—оединение Nb3Sn хрупко и изделие из него не могут бать получены обычным металлургическим путем, т.е. выплавкой с последующей деформацией. ћассивные издели€ из этого соединени€: цилиндры, пластины и т.д. получают, как правило, металлокерамическим методом, т.е. смешива€ в соответствующих пропорци€х порошки ниоби€ и олова, прессу€ издели€ нужной формы и нагрева€ их до температуры образовани€ химического соединен舆 Nb3Sn, обычно в интервале 960-1200O.

5. ѕолучение джозефсоновских переходов.

 

ƒжозефсоновские туннельные переходы †представл€ют собой две тонкие сверхпровод€щие пленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. –ассмотрим некоторые из методов получени€ переходов с диэлектрическим барьером. Ќа тщательно очищенную подложку в вакууме наноситс€ перва€ пленка сверхпровод€щего соединени€ толщиной в несколько тыс€ч ангстрем.

Ќанесение первой пленки осуществл€етс€ путем катодного распылени€.

4

1

††††††††††† †††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††6

††††††††††† 2††††††††††† 3†††††††††††††††††† 5

†††††††††††††††††††††††††††† ††††††

1.  атод

2. –аспыл€ющий газ

3.   вакуумному насосу

4. ƒержатель с подложкой

5. ѕосто€нное напр€жение 4 к¬

6. ¬„ Ц генератор 3-300 ћ√ц

√азовый разр€д при низком давлении можно возбудить высокочастотным электрическим полем. “огда в газовом промежутке, содержащим аргон, возникает тлеющий разр€д. ќбразовавшиес€ при этом положительные ионы, разгон€ютс€ электрическим полем, удар€ютс€ о катод распыл€€ сплав. ¬ылетающие с катода атомы осаждаютс€ на подложке. ¬ такой системе были достигнуты скорости осаждени€ до 1ј/сек. ѕри смещении на катоде Ц мишени 500¬.

ƒл€ высокочастотного катодного распылени€ Nb3Sn необходим вакуум перед распылением 10-4ѕа, температура подложки 900O—, чистота напускаемого аргона 99,999%, его давление менее 1ѕа.

ƒл€ качества туннельного перехода большое значение имеет структура пленки. ¬ напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическа€ решетка, и в них, как правило со временем происход€т структурные изменени€: течение дислокаций, деформаци€ границ зерен, что может значительно ухудшить свойства туннельного перехода (например возникнуть закоротки).

ќдним из способов устранени€ этих нежелательных €влений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их структуру. “ак пленки образующие туннельный переход получались последовательным напылением In (49нм), Au (9нм), Nb3Sn (350нм) дл€ нижнего электрода и Nb3Sn (300нм), Au(5нм), Nb3Sn(200нм) дл€ верхнего электрода. ѕосле этого пленки выдерживались при температуре 75ќ— в течении 2ч., что приводило к стабилизации свойств перехода.

—ледующим важным этапом получени€ туннельного перехода €вл€етс€ образование барьерного сло€, как правило, это слой окисла на поверхности первой пленки. —войства туннельного перехода и его срок службы определ€етс€ прежде всего качеством барьерного сло€. Ётот слой должен быть плотным, тонким (ї2нм), ровным, не иметь пор и не мен€тьс€ со временем при температурном циклировании.

Ќаиболее удачный метод приготовлени€ туннельных барьеров состоит в окислении пленки в слабом ¬„ разр€де в атмосфере кислорода. ѕодложка с пленочным электродом крепитс€ к катоду разр€дной камеры. —начала поверхность пленки очищают от естественного окислени€ путем ¬„ катодного распылени€ в атмосфере аргона при давлении 0.5 ѕа в течении 1-5 мин. —разу после этого аргон в камере замен€етс€ кислородом или аргонокислородной смесью и зажигаетс€ разр€д на частоте 13.56 ћ√ц. «а определенное врем€ на пленке, наход€щейс€ в разр€де, образовалс€ слой окисла необходимой толщины. ƒл€ получени€ туннельных барьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать разр€д мощностью 0.003-0,1 ¬т/мм2 в течении 10-20 мин.

ѕримен€ют туннельные переходы с барьером из полупроводника. ¬ качестве материала барьера используетс€ различные† п/п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs и др.

ќсновной метод нанесени€ п/п барьера Ц распыление. ќднако в напыленном слое †п/п имеетс€ много отверстий и пустот, наличие которых способствует по€влению закороток в переходе. ƒл€ устранени€ этого недостатка после напылени€ барьера переход подвергаетс€ окислению. ¬ результате закоротки действительно не возникают, но свойства барьера при это ухудшаютс€: уменьшаетс€ максимальна€ плотность тока, величина емкости увеличиваетс€.

Ќаилучшие туннельные переходы с полупроводниковым барьером, получаютс€, когда барьер представл€ет собой монокристалл. “акие переходы реализованы не созданием барьера на сверхпровод€щей пленке, а наоборот, нанесением пленки на обе стороны тонкой монокристаллической п/п мембраны из Si. »звестно, что скорость травлени€ монокристаллического Si перпендикул€рно плоскости (100) в 16 раз больше чем в направлении плоскости (111). ¬ результате этого в пластине Si, поверхность которого параллельна (100), при травлении небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуютс€ €мки. Ѕоковые стенки €мки образуют плоскости (111) под углом 54.7ќ к поверхности. “аким образом, размер дна €мки w1, т.е. размер мембраны определ€етс€ соотношением w2 Ц размер открытого незащищенного участка поверхности, t Ц глубина €мки.

„тобы получить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либо образом автоматически остановить травление. Ёто достигаетс€ с помощью легировани€ бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равную необходимой толщине мембраны. —корость травлени€ быстро падает, когда достигаетс€ слой Si с концентрацией бора, равной n=4×1019 см-3, и полностью останавливаетс€ при n=7×1019 см-3 . “аким образом были получены мембраны толщиной 40-100 нм. ƒалее с двух сторон нанос€тс€ сверхпровод€щие пленки, образующие переход.

¬ случае последовательного напылени€: сверхпровод€ща€ пленка Ц барьер Ц сверхпровод€ща€ пленка Ц последнюю пленку можно нанести методом катодного распылени€.

√отовые переходы защищают от вли€ни€ атмосферы слоем фоторезиста. ƒл€ получени€ воспроизводимых туннельных систем необходимо, чтобы между операци€ми пленка не подвергалась воздействию атмосферы т.к. адсорбци€ газов на поверхности пленок может вызвать неконтролируемое изменение характеристик перехода.
—писок литературы:

1. √.Ќ.  адыкова Ђ—верхпровод€щие материалыї ћ. ћ»Ёћ 1990

2. ј.‘. ¬олков, Ќ.¬. «аварицкий ЂЁлектронные устройства на основе слабосв€зных сверхпроводниковї ћ. —оветское радио 1982

3. –. Ѕерри, ѕ. ’олл, ћ. √аррис Ђ“онкопленочна€ технологи€ї ћ. Ёнерги€ 1979

4. “. ¬ан-ƒузер „.”. “ернер Ђ‘изические основы сверхпроводниковых устройств и цепейї ћ. –адио и св€зь 1984

†††††††††

ћосковский государственный институт электроники и математики (технический университет)  урсова€ работа дл€ представлени€ на кафедру Ђћатериаловедениеї на тему: ћагнитометры на — ¬»ƒах.† ¬ыполнил: ѕодчуфаров ј.»

 

 

 

¬нимание! ѕредставленна€  урсова€ находитс€ в открытом доступе в сети »нтернет, и уже неоднократно сдавалась, возможно, даже в твоем учебном заведении.
—оветуем не рисковать. ”знай, сколько стоит абсолютно уникальна€  урсова€ по твоей теме:

Ќовости образовани€ и науки

«аказать уникальную работу

ѕохожие работы:

Ёнергетика —¬„ в народном хоз€йстве: применение —¬„-нагрева в пищевой промышленности
ќсновы теории цепей
16-разр€дный генератор псевдослучайных чисел
–азработка процесса изготовлени€ печатной платы
Ѕлок выравнивани€ пор€дков
”стройство динамической индикации
–асчет топологии толстопленочной микросхемы
 онструирование микросхем и микропроцессоров
”силитель дл€ воспроизведени€ монофонических музыкальных программ
–асчет некогерентной радиолокационной измерительной системы кругового обзора

—вои сданные студенческие работы

присылайте нам на e-mail

Client@Stud-Baza.ru