Введение к работе
Актуальность темы. С открытием в 1986 году высокотемпе-,-урных металлооксидных сверхпроводников актуальными стали тросы их практического применения в микроэлектронике. Успехи миологии высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), докинутые за последние годы, открывают широкие перспективы вменению таких материалов в микроэлектронике. В фокусе вни-ния исследователей находятся также периодические слоистые си-;мы, включающие в себя слои сверхпроводника, которые облада- рядом принципиально новых по сравнению с однородными ма-эиалами характеристик. К таким системам относятся многие при-дные соединения (дихалькогениды переходных металлов, высоко-мпературные металлоокисные соединения), а также искусственные оистые материалы различного типа. Многослойные тонкопленоч-іе сверхпроводящие структуры могут служить основой для многих тивных и пассивных элементов как дискретных, так и входящих в став интегральных схем. Интенсивные работы по созданию таких руктур начались примерно с 1990 года, и в настоящее время техно-)гия изготовления слоистых сверхпроводящих структур достигла іечатляющих результатов. Получены и исследованы разнообраз-тшпе многослойные структуры и сверхрешетки: сверхпроводник-эрмальный металл, сверхпроводник- диэлектрик, сверхпроводник -элупроводник, сверхпроводник - ферромагнетик.
Успехи технологии привели к неуклонному росту использова-ия сверхпроводящих структур на основе ВТСП материалов в мик-оэлектронике и информационно-вычислительной технике. Низкое оверхностное сопротивление эпитаксиальных пленок высокотемпе-атурных сверхпроводников при температурах ниже температуры верхпроводящего перехода Тс обусловливает перспективность их рименения в СВЧ - технике. В связи с этим большое внимание уде-яется теоретическому и экспериментальному исследованию отражена и поглощения СВЧ - излучения в слоистых ВТСП структурах, а акже вопросам распространения волн различного типа. Однако іаспространение в структурах со сверхпроводящими пленками элек-ромагнитных волн в произвольных направлениях изучено недоста-очно.
Высокотемпературные металлооксидные сверхпроводники >тносятся к типичным сверхпроводникам второго рода. Поэтому мспространение электромагнитной волны в структурах, содержа-цих высокотемпературные сверхпроводники, зависит от состояния жерхпроводника в магнитном поле (внешнем или магнитном поле шектромагнитной волны). Как известно, основное состояние сверх-
1ір^водаикя~второго-^зода—в aHTpBaj2e_jK2Jiefino;iMarHH4HBai
Всі<В<Вс2 (Всі и Вс2 - нижнєє и верхнеекртітическ1іе~гїоляхверхп водника соответственно) является смешанным (резистивным). Эл тродинамика сверхпроводников второго рода в смешанном сост нии теоретически рассмотрена в работах Горькова и Копнина. I -явяение-в-сверхпровоттнике магнитных вихрей Абрикосова при пе ходе в смешанное состояние приводит в ряЖ^лучаев-«-буществН] му изменению характеристик распространения электромагнита волны в результате ее взаимодействия с вихревой решеткой и к д сипации энергии. Но, как показано в работах Попкова А.Ф. и Г щенко А.Г., если решетка вихрей Абрикосова движется в тонк слое сверхпроводника под действием транспортного тока, взаш действие с электромагнитной волной в структурах ферромагнети сверхпроводник может приводить при выполнении ряда условиі усилению волны за счет энергии движущихся вихрей. Однако же кие ограничения на условия усиления не позволяют реализовать кие устройства на практике.
Таким образом, большой интерес представляет исследоваї распространения электромагнитных волн в практически не рассм ривавшихся ранее гетероструктурах сверхпроводник- диэлектрш сверхпроводник - полупроводник в случае, когда сверхпровода находится в смешанном состоянии. Практический интерес им также изучение прохождения волновых импульсов через грані раздела сверхпроводника со средой с нелинейными параметрами.
Цель диссертации заключается в теоретическом исследо: нии распространения электромагнитных волн в ранее не рассмат] ваемых структурах СВЧ диапазона, включающих в себя тонкие ел сверхпроводника второго рода в резистивном состоянии, исследо: нии влияния тонких сверхпроводящих слоев на распространег электромагнитных волн и возможность усиления волн при их в имодействии с вихревой структурой сверхпроводника, а также в можности применения исследуемых структур для создания нов функциональных управляемых СВЧ - устройств.
Научная новизна. 1. Впервые исследовано распространение электромагнитных волі периодических структурах, содержащих тонкие слои сверхпров* ника второго рода в резистивном состоянии. Получены диспері онные уравнения для периодических структур сверхпроводни] диэлектрик. Выведены условия, при выполнении которых возмс но усиление электромагнитных волн в слоистых сверхпроводяц] структурах за счет взаимодействия с движущейся решеткой bhxj: в слоях сверхпроводника.
Впервые получено дисперсионное соотношение для периодической структуры сверхпроводник в резистивном состоянии - полупроводник.
. Впервые получены дисперсионные соотношения для структур сверхпроводник - диэлектрик и сверхпроводник - полупроводник с электродинамическими параметрами в области нелинейности динамического смешанного состояния сверхпроводника. . Впервые рассмотрено распространение волн в прямоугольном экранированном металлическом волноводе с тонкими пленками сверхпроводника в резистивном состоянии. Получены дисперсионные уравнения, решениями которых являются комплексные волны. Получены условия, при которых возможно усиление волн Нто и гибридных волн в рассматриваемом волноводе за счет энергии движения вихревой структуры в сверхпроводящей пленке. 5. Установлена возможность и условия формирования нелинейных стационарных импульсов в ранее не рассматривавшихся волно-водных структурах с тонкой двухслойной нелинейной пленкой сверхпроводник - диэлектрик с нелинейностью типа Керра. Показана возможность усиления нелинейных импульсов за счет энергии движущихся магнитных вихрей в сверхпроводнике.
Научная и практическая ценность работы. Научная ценность диссертации заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления об условиях распространения электромагнитных волн в структурах с тонкими пленками сверхпроводника в резистивном состоянии.
Практическая ценность заключается в сформулированных в диссертации рекомендациях по новым возможностям использования структур с тонкими сверхпроводящими пленками. Проведенные исследования позволили: определить условия, при которых возможно распространение в исследуемых структурах волн с усилением за счет энергии движущихся магнитных вихрей сверхпроводника, предложить методы управления параметрами электромагнитных волн в структурах со сверхпроводящими слоями, позволяющие создать новые невзаимные приборы СВЧ - диапазона, в частности, высокоизбирательные усилители и фильтры.
На защиту выносятся следующие основные положения..
1. Дисперсионные уравнения для периодических структур сверхпроводник второго рода в резистивном состоянии -диэлектрик, полученные при использовании двухсторонних граничных условий для тонких слоев сверхпроводника. Численный расчет дисперсионных
- хдрщш^істшсдля структур УВагСизО - SrTiCb и УВагСизСЬ
MgO. ДІЇс1іерсйс1ШШ~уравнения-^ддя-ліеріі^ сверхпроводник второго рода в резистивном состоянии - полупро водник. Дисперсионные уравнения для периодических структур ее сверхпроводящими слоями в области нелинейности динамическо го смешанного состояния сверхпроводника. Критерии усиленш
-
Расчет коэффициентов отражения и прохождения для слоисты? структур с тонкими слоями сверхпроводника второго рода в резистивном состоянии. Критерии усиления электромагнитной волны при отражении и прохождении через конечные слоистые структуры. Численный расчет коэффициентов отражения от многослойных структур, включающих в себя высокотемпературную сверхпроводящую керамику УВагСиз07.
Дисперсионные уравнения для слоистых экранированных прямоугольных волноводов с тонкими сверхпроводящими пленками в резистивном состоянии, результатом решения которых являются комплексные волны. Условия усиления волн Нто и НЕтп в рассматриваемом волноводе за счет энергии движения вихревой структуры в сверхпроводящей пленке. Классификация гибридных волн.
Расчет параметров импульсов в волноводных структурах с тонкой двухслойной нелинейной пленкой сверхпроводник - диэлектрик типа Керра. Приближенные аналитические решения с учетом нелинейности высших порядков. Критерии усиления нелинейных импульсов в результате взаимодействия с вихревой структурой в сверхпроводнике.
Обнаружены и исследованы новые физические эффекты, связанные со взаимодействием электромагнитных волн с движущейся вихревой структурой в сверхпроводящих слоях: невзаимные свойства структур со сверхпроводящими пленками в резистивном состоянии; возможность распространения в структурах со сверхпроводящими пленками в резистивном состоянии электромагнитных волн без потерь; резкое влияние величины внешнего магнитного поля и плотности транспортного тока на дисперсионные свойства структур с тонкими слоями сверхпроводника второго рода в резистивном состоянии; возможность распространения в прямоугольном экранированном волноводе комплексных волн Нто и НЕтп, не имеющих отсечки; условия усиления электромагнитных волн в структурах с сверхпроводящими пленками в резистивном состоянии за счет энергии движущейся вихревой структуры.
Обоснованность и достоверность полученных результатов Зеспечиваегся адекватностью применяемых математических моделі изучаемым физическим процессам.
Апробация работы. Результаты работы вошли в НИР Разработка новых методов измерения электромагнитных излучений г СВЧ до оптического диапазона" (тема 14/96, шифр "Аспект -1ИИРС", 1995 -1997 гг.). Основные результаты работы опубликова-ы в статьях, докладывались: на международном семинаре Дифференциальные уравнения и их приложения" (Самара, 1996); на іеждународном семинаре "Нелинейное моделирование и управлене" (Самара, 1997); на IX Международной школе - семинаре Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (Самара, 1997); на рос-ийской конференции "Микроволновая электроника больших мощ-;остей: измерения, идентификация, применение" (Новосибирск, 997); на V международной конференции "ОИС САПР и техника ^ВЧ и КВЧ" (Москва, 1995), на конференциях профессорско-греподавательского и инженерно-технического состава ПИИРС 1996-1997 гг.), на международном симпозиуме "Electromagnetic :ompatibility ЕМС'98 ROMA" (Italy, Rome, 1998).
Публикации. Основные положения и результаты диссертаци->нной работы отражены в 14 работах, в том числе в 3 статьях, в трупах международного симпозиума в Риме и российской конференции, > тезисах докладов на международных семинарах и российских конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Она содержит 111 страниц текста, 53 страницы рисунков, список литературы из 117 наименований.
Похожие диссертации на Распространение электромагнитных волн в структурах с тонкими пленками сверхпроводника второго рода в резистивном состоянии
