Введение к работе
Актуальность работы. Ведущиеся в настоящее время интенсивны? исследования свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) представляют большой интерес как с точки зрения физики сверхпроводимости, так и ее приложений. Изучение электрофизических свойств ВГСП материалов позволяет получать информацию об их фундаментальних и высокочастотных свойствах, улучшать сверхпроводящие характеристики и ускорять техническое применение сверхпроводников. Исследования СВЧ свойств' ВТСП важны не только для научных целей, т.к. углубляют понимание механизмов СВЧ диссипации, но и для практического применения сверхпроводников в СВЧ технике, т.к. ряд свойств ВТСП, я именно: низкие значения высокочастотного поверхностного сопротивления R , возможность переключения из сверхпроводящего (S) в нормальное (N) состояние и малая частотнонезависимая глубина проникновения поля х, делают эти материалы чрезвычайно привлекательными для использования в СВЧ^ устройствах. Перспективность реализации управляющих и ограничительных (защитных) СВЧ устройств, работающих на принципе S-N переключения- сверхпроводника, определяется малыми СВЧ диссипативными потерями и высоким быстродействием по S-N переключению. Указанные свойства делают устройства управления и ограничения на основе ВТСП материалов конкурентноспособными с аналогичными по функциональному назначению полупроводниковыми элементами.
Практическая реализация управляющих и ограничительных СВЧ устройств на основе ВТСП пленок, оценка их параметров и' предельных возможностей связаны с решением ряда научных проблем.
1. Комплексное исследование электрофизических и электродинами
ческих свойств ВТСП пленок в S и N состояниях в ВЧ-СВЧ диапазонах,
включая их структурный и элементный анализ-.
Создание сверхпроводниковых СВЧ устройств делает необходимы» внявлеіше зависимости транспортных и высокочастотных свойств пленок ВГСП от их толщины, определение связи критических параметров ВТСП и их ВЧ-СВЧ свойств, сопоставление результатов анализа структури пленок с их сверхпроводящими характеристиками.
2. Исследование влияния магнитного поля на ВЧ-СВЧ поверхност
ный импеданс и на транспортные свойства БТСП пленок.
В практике применения сверхпроЕОдккксЕїіх материалов гк-ссхстл'/о учитывать влияние на их. свойства как фоновых магнитных полой, тгк ;*
магнитных полей, непосредственно определяющих работу данного устройства, например, полей управления. Исследование зависимости от магнитного поля ВЧ-СВЧ потерь в пленках ВТСП разной толщины, отличающихся качеством структуры, позволяет виявить механизмы разрушения сверхпроводимости в высокоориентированных и гранулированных структурах и определить их высокочастотные свойства в магнитных полях.
3. Модельные описания свойств ВТСП материалов в ВЧ-СВЧ диапа
зонах, в том числе - в магнитных полях.
Модельные представления, дающие количественное описание ВЧ-СВЧ свойств ВТСП пленок, позволяют идентифицировать основные механизмы потерь в изучаемых материалах, оценить уровни ВЧ-СВЧ потерь в высокоориентированных и гранулированных пленках, а также в пленках сложной структуры, состоящих из высокоориентированного и гранулированного слоев. Моделирование ВЧ-СВЧ свойств сверхпроводников в маг-ньдшх полях и результаты экспериментальных исследований выявляют уровень высокочастотного магнитнозависимого остаточного сопротивления.
4. Исследование в СВЧ диапазоне устройств S-N управления и
ограничения на основе пленок ВТСП и формулировка требований к
параметрам сверхпроводниковых пленок.
Для определения возможных применений СВЧ устройств S-N управления и ограничения необходим анализ таких структур для S и N состояний пленок, включающий в себя исследование зависимости рабочих^характеристик устройств от величины управляющего сигнала и от сверхпроводящих свойств самих пленок ВТСП и получение таких параметров, как: АЧХ, быстродействие по S-N переключению, рабочая температура и т.п.
Целью работы являлось исследование ВЧ-СВЧ свойств (механизмов ВЧ-СВЧ потерь и нелинейных явлений) пленок высокотемпературных сверхпроводников, в том числе - при воздействии магнитного поля, и реализация сверхпроводниковых устройств управления и ограничения. СВЧ диапазона.
научная новизна работы заключается в следующем: - проведены комплексные исследования а- и с-ориентированных пленок YPa„Cu307 разной толщины, включающие в себя: структурный и
элементный анализ; гюстоянноточные и ВЧ-СВЧ измерения, в том числе - при приложении магнитного поля и СВЧ ИБлучэния различной мощности; интерпретацию экспериментальных результатов на основе модельных представлений механизмов ВЧ-СВЧ потерь в высокоориентированных и гранулированных сверхпроводящих пленках, включая потери, обусловленные воздействием постоянного магнитного поля;
- исследованы зависимости ВЧ-СВЧ поверхностного импеданса
пленок YBa Си О в функции от их толщины, немонотонная (с миниму
мом) зависимость высокочастотного поверхностного сопротивления от
толщины пленки описана в рамках модельных электродинамических
представлений двухслойной структуры, состоящей из высокоориентиро
ванного и гранулированного слоев;
определен уровень ВЧ-СВЧ остаточного сопротивления в пленках УВа Си 0 , обусловленный наличием "сильных" и "слабых" джозефсо-новских связей, -установлено, что поверхностное сопротивление в отсутствие магнитного поля определяется не свойствами джозефсоновс-ких связей, но магнитнонезависимыми остаточными потерями;
исследованы механизмы разрушения сверхпроводящего состояния в пленках YBa Си 0?_ .импульсами СВЧ мощности;
- реализованы широкополосный копланарный ограничительный
элемент и волноводшй фильтр-ограничитель СВЧ мощности сантиметро
вого диапазона на основе пленок YBa Си 0 , по своим параметрам
конкурентноспособные с аналогичными устройствами на основе традици
онной элементной базы.
Практическую ценность работы представляют:
- результаты исследования зависимости ВЧ-СВЧ свойств пленок
YBa„Си О от их структуры и элементного состава, что дает возмож
ность определить необходшлые технологические режиш для получения
пленок с заданными параметрами;
- данные о ВЧ-СВЧ поверхностном сопротивлении и глубине
проникновения электромагнитного поля в пленки YBa^Cu 0 разной
толщины, позволяющие выбрать оптимальною толщину пленки и рассчи
тать параметры СВЧ устройств на основе ВТСП материалов;
предложенная методика исследования высокочастотных свойств ВТСП в магнитных полях, позволяющая идентифицировать механизмы магнитнозависимых и магнитнонезависимых ВЧ-СВЧ остаточных потерь;
результаты исследования влияния магнитного поля и СЗЧ излу-
чевия различной мощности на транспортные и СВЧ свойства свёрхпрово-дниковых пленок, позволяющие оценивать параметры СВЧ устройств с S-H переключением: токи и поля управления» пороговый уровень СВЧ мощности;
- реализованные макеты широкополосного копланарного ограничительного элемента и волноводного фильтра-ограничителя СВЧ мощности и рекомендации конструкторско-технологического характера, выработанные в результате испытаний макетов.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Пленки YBa2Cu307_x, полученные методом магнетронного распыления на подложках BaSrTiO /МдО, демонстрируют немонотонную зависимость ВЧ-СВЧ поверхностного сопротивления R от их- толщины с мкядаумом потерь в области толщин t = 0.3 + 0.4 мкм. Немонотонная зависимость R (t) хорошо описывается в рамках модельных электродинамических представлений двухслойной структуры, состоящей из внсокоориентированного и гранулированного слоев. Подобный характер структуры-подтверждается результатами структурного анализа пленок YBa2Cu307x.
-
Предложенная методика исследования зависимостей высокочастотного поверхностного импеданса высокотемпературных сверхпроводников от"постоянного магнитного поля дает возможность идентифицировать механизмы ВЧ-СВЧ потерь на вихрях Абрикосова, на джозефсоновс-ких свяиях и в несверхпроводящих областях.
-
В ВЧ-СВЧ диапазонах слабые сверхпроводящие связи в пленках YBa2Cu^07_x играют основную роль в зависимостях поверхностного сопротивления и глубины проникновения от магнитного поля Н, но не определяют ВЧ и СВЧ потери при Н = 0; уровень магнитнонезависимого остаточного сопротивления в отсутствие магнитного поля более чем на порядок превышал потери на слабых связях в ВЧ диапазоне и в 2 + 5 раз - на СВЧ.
. 4. Использование пленок ВТСП позволяет реализовать волноводные и микрополосковые ограничители СВЧ мощности сантиметрового диапазона. Параметры исследованных резонансных и широкополосных элементов (уровень СВЧ потерь в открытом состоянии, быстродействие по. S-N переключению) превосходят параметры аналогичных устройств на основе трздівдкжной элементной базы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работа докладывались и обсуждались на:
Intern. Workshop on Chemistry and Technology of High-Temperature Superconductors, Moscow, USSR, 1991;
MRS Spring Meeting on Superconductivity, San Francisco, California, USA, 1992;
European Conference on Appl. Superconductivity, Gottingen, Germany, 1993;
Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава- СПГЭТУ в 1990 - 1993 гг.
Публикации. Материалы диссертационной, работы изложены в восьми печатных трудах, опубликованных в научных журналах и тезисах докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включапщего 161 наименование. Основная часть работы изложена на 190 страницах шшщ-нописного текста и содержит 67 рисунков и 9 таблиц.
