Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее чувствительными измерителями магнитного поля в настоящее время являются системы на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров - сквидов (от англ. SQUID - Superconducting Qauntum Interference Device). В последнее десятилетие традиционная низкотемпературная сквид-магнитометрия (диапазон рабочих температур Т < 10 К) быстро развивалась, завоевывая все новые области применения.
Ниобиевые сверхпроводящие квантовые интерферометры, работающие при температуре кипения жидкого гелия (Т = 4.2 К), надежно зарекомендовали себя в качестве датчиков магнитного поля во всевозможных модификациях магнитометров, измерителях магнитной восприимчивости вещества, при измерении сверхмалых токов, в пиковольтметрах. В настоящее время низкотемпературные сквиды успешно используются при фундаментальных исследованиях в физике, биомедицине, геофизике и других областях науки. Однако, потребность в жидком гелии и особенности работы с ним сильно ограничивают возможности и круг применения данного класса приборов.
С открытием в 1986 году швейцарскими учеными К. Мюллером и Дж. Беднорцем новых сверхпроводящих материалов [1], показавших высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние Тс (на сегодняшний день уже известны системы с Тс > 100 К) появилась уникальная возможность решить вопросы криообеспечения и значительно расширить диапазон применения приборов, созданных на базе сверхпроводников, в том числе и сквидов.
Однако, создание таких приборов на основе новых ВТСП материалов является весьма сложной научно-технической задачей. Для ее решения, в первую очередь, необходимо наладить производство высококачественных тонких пленок, разработать надежную методику создания переходов Джозефсона с
ВТСП - высокотемпературный сверхпроводник.
воспроизводимыми параметрами, а также отработать технологию многослойных структур.
На первоначальных стадиях разработок для изготовления одиночных сквидов требовалось достаточно мало - сверхпроводящее кольцо с одним либо двумя переходами. Поэтому одноконтактные ВТСП сквиды простой конструкции были получены еще на ранних этапах развития этой области при использовании объемных образцов сверхпроводящей керамики [2-4]. Изготовление более сложных систем (например, тонкопленочных структур двухконтактных сквидов, многослойных трансформаторов потока для сквид-магнитометров) уже требует охвата следующих уровней развития технологии. Таким образом, разработка тонкопленочных ВТСП сквидов является одной из первоочередных и ключевых задач, решение которой будет сильно способствовать продвижению и прогрессу в области создания ВТСП криоэлектронных устройств в целом.
С другой стороны, разработка уникальных датчиков магнитного поля -сквидов и целых сквид-систем, работающих при температуре 77 К, сама по себе является очень важной и перспективной прикладной задачей. Охлаждение жидким азотом в сотни раз дешевле использования традиционного хладоагента - жидкого гелия. Теплота парообразования жидкого азота значительно выше, чем у гелия. Эти два важных фактора сразу дают целый ряд преимуществ. Во-первых, срок работы прибора на основе сквида без перезаливки хладоагента (например, в автономном режиме) сильно увеличивается. Во-вторых, за счет дешевизны самого хлодоагента появляется возможность увеличить количество измерений и исследований, проводимых с помощью уникальной сквид-аппаратуры, а также расширить области применения сквидов, сделав сквид-магнитометр "рядовым" прибором в научных и технических лабораториях. В третьих, возникает возможность значительно сократить расстояние между источником магнитного сигнала и сквид-датчиком. При исследовании дипольных источников магнитного поля (например, биомагнитные измерения - исследования коры головного мозга и т.п.) это позволит повысить регистрируемый сигнал и, тем самым, при той же
чувствительности повысить разрешение либо снизить требования на чувствительность датчика, в зависимости от задачи.
Для реализации новых потенциальных возможностей, связанных с использованием ВТСП сквидов, работающих при температуре жидкого азота, необходимо провести целый комплекс исследований в области создания подобных устройств и оптимизации их параметров в применении к конкретным прикладным задачам.
Цель работы. Основными задачами данной диссертационной работы являлись:
-
Разработка и изготовление ВТСП сквидов постоянного тока на основе тонких пленок УВа2Сиз07.х, напыленных на бикристаллические подложки БгТіОз и 2Ю2, стабилизированных Y2O3, (YSZ).
-
Исследование электрофизических и шумовых характеристик тонкопленочных сквидов постоянного тока при температуре жидкого азота.
-
Изготовление и исследование датчиков магнитного поля на основе ВТСП сквидов постоянного тока для сканирующей сквид-микроскопии.
Научная новизна работы определяется следующими наиболее важными из полученных результатов.
J. Спроектированы и изготовлены гонкопленочные YBa2Cu307 сквиды постоянного тока на бикристаллических подложках SrTiC<3 и YSZ. Проведены исследования их вольтамперных характеристик в широком температурном диапазоне - 4.2-80 К. Впервые показано, что проводимость в ВТСП межгранульных переходах на бикристаллах может быть обусловлена прыжковым механизмом туннелирования через локализованные состояния в прослойке. 2. Исследованы вольтполевые характеристики и шумы по магнитному потоку тонкопленочных ВТСП сквидов при Т=77 К. Получено значение крутизны вольтполевой характеристики равное 75 мкВ/Фо- Это позволило достичь
уровня шума по магнитному потоку б.ЗхЮ"6 Фо/Гц'/2 (на частотах 300 Гц и выше), что соответствовало энергетическому разрешению 4x10-30 Дж/Гц. При использовании схемы знакопеременного смещения эти же цифры были получены на частотах 100 Гц и выше. На частоте 3 Гц шум по магнитному потоку составил 9х10"6 Ф(/Гц1/2, энергетическое разрешение - 1.26х10"29 Дж/Гц. Лучшее энергетическое разрешение достигнуто на частотах 300 Гц и выше для сквида с индуктивностью 80 пГн и составило 1.6x10"30 Дж/Гц. Приведенные характеристики близки к характеристикам ПТ сквидов гелиевого уровня охлаждения. 3, Впервые изготовлен специализированный датчик магнитного поля на основе ВТСП ПТ сквида для сканирующего магнитного микроскопа, работающего при температуре Т=77 К. Продемонстрирована устойчивая работа сквида в магнитных полях подмагничивания 1-2 Гс, низкий уровень шума - 3x10-5 Фд/Гц'/2 (на частоте 1 Гц - с применением схемы знакопеременного смещения по току) и чувствительность по магнитному полю на уровне 1.2х10-11 Тл/Гц1'2.
Практическая ценность работы. Проведенные исследования показали, что на основе разработанной технологии, используя оптические методики контроля качества подложек, оптические и магнитные методики контроля качества тонких YBa2Cu307 пленок, можно изготовить ВТСП сквиды постоянного тока, обладающие высокой стабильностью параметров, крутизной преобразования на уровне 75 мкВ/Ф0 и уровнем шумов по магнитному потоку 6.3x10"6 Фо/Гц1/2, что уже приближается к параметрам низкотемпературных сквидов. При разработке топологии ВТСП датчика с большой приемной площадью (на основе концентраторов и автотрансформаторов магнитного потока) можно достичь чувствительности по магнитному полю уже приемлемой для использования его в конкретных магнитометрических сквид-системах, которые были бы вполне кокурентноспособны по отношению к низкотемпературным аналогам.
Разработанный датчик магнитного поля (на основе ВТСП ПТ сквида) для сканирующего сквид-микроскопа, работающего при температуре 77 К, в настоящее время используется для исследования распределения магнитных полей вблизи различных объектов (например, ВТСП пленок, ленгмюровских пленок на основе редкоземельных соединений). Простота однослойной тонкопленочной технологии изготовления ВТСП сквида позволяет удачно варьировать его параметры (пространственное разрешение, чувствительность) в зависимости от особенностей исследуемого класса объектов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены на Международных конференциях по прикладной сверхпроводимости (ASC-9Q, Сноумасс, 1990; ASC-94, Бостон, 1994), III Всесоюзном совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1991), IV Международной конференции по сверхпроводимости и устройствам на квантовых эффектах SQUID-91 (Берлин, 1991), VI и VII Германо-Русско-Украинских семинарах по высокотемпературной сверхпроводимости (Дубна, 1993; Мюнк«< 1994), Международной конференции северных стран по сверхпроводимости (4th NSSC, Варберг, 1994), XXX совещании по физике низких температур (Дубна, 1994), Международной европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (EUCAS-95, Эдинбург, 1995).
Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем работы - 120 страниц. Она содержит 25 рисунков, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 85 названий.
