Содержание к диссертации
Введение
1 Джозефсоновские методы детектирования, и-спектроскопии 7
1.1. Нестационарный эффект Джозефсона 7
1.2. Адмиттансная джозефсоновская спектроскопия 9f
1.3 Квадратичное детектирование иегильберт-спектроскопия 10
1.4. Перспективные применения джозефсоновских методов детектирования и спектроскопии 12
1.5 Постановка задачи 14
2. Джозефсоновское детектирование и гильберт. спектроскопия с переходами из низкотемпературных сверхпроводников 15
3 Обоснование использования ВТСП джозефсоновских переходов для детекторования и спектроскопии 22
3.1. ВТСП как базовые материалы для джозефсоновских переходов 22
3.2. Виды и выбор тонкопленочных ВТСП переходов 25
3.3. Выводы 32
4 Экспериментальные методики и установки. 34
4.1 Приготовление бикристаллических YBa2Cu307-x переходов , 34
4.2 Структурные исследования Ва2Сиз07-х пленок и переходов 38
4.3 Исследования пространственнойэлектрической неоднородности 39
4.4. Интеграция переходов в криостаты икриоохладители 45
4.5 Выводы 46
5 Электрические и структурные характеристики YBa2Cu307-x пленок и бикристаллических переходов
5.1 Эпитаксиальные YBa2Cu307-x пленки 48
5.2 Переходььиз.с-ориентированных пленок 51
5.3 Переходы из пленок с взаимнонаклоненными осями 63
5.4 Влияние низкотемпературного отжига в кислороде на ВАХ и низкочастотные флуктуации в переходах 72
5.5 Выводы 83
6 Квадратичное детектирование электромагнитного излучения ВТСП переходами
6.1 Введение 85
6.2 Согласование переходов с антеннами 86
6.3 Нестационарный эффект Джозефсона в бикристаллических ВТСП переходах 91
6.4 Инструментальная функция и форма линии джозефсоновской генерации 98
6.5 Динамический диапазон по мощности 103
6.6 Классическое детектирование 107
6.7 Выводы 109
7 Гильберт-спектроскопия на основе ВТСП переходов 111
7.1 Макеты гильберт-спектрометров на основе ВТСП переходов 111
7.2 Спектральный анализ полихроматических источников терагерцового излучения 114
7.3 Спектральный анализ переходного излучения 122
7.4 Гильберт-спектроскопия с использованием ртутной лампы 124
7.5 Идентификация жидкостей с помощью гильберт-спектроскопии 127
7.6 Выводы 138
Заключение 139
Список опубликованных работ 143
Список литературы 155
Благодарности 163
- Перспективные применения джозефсоновских методов детектирования и спектроскопии
- ВТСП как базовые материалы для джозефсоновских переходов
- Исследования пространственнойэлектрической неоднородности
- Переходы из пленок с взаимнонаклоненными осями
Введение к работе
Актуальность темы
Сверхпроводниковая электроника начала бурно развиваться после открытия в начале
60-х годов прошлого века эффектов квазичастичного и джозефсоновского туннелирования в
переходах сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) [1], [2]. Процессы
туннелирования в СИС переходах характеризуются малыми шумами, низким уровнем диссипации, высоким уровнем нелинейности статических и динамических характеристик, малой инерционностью и высокой чувствительностью к внешним электромагнитным ПОЛЯМ. Такой набор характеристик оказывается весьма привлекательным для создания новых перспективных электронных устройств. Туннелирование квазичастиц в СИС переходах из низкотемпературных сверхпроводников (Nb, NbN) уже успешно используется в высокочувствительных супергетеродинных приемниках электромагнитного излучения, разрабатываемых для радиоастрономии [3].
Особый интерес вызывают применения джозефсоновского туннелирования. Например, стационарный эффект Джозефсона используется в высокочувствительных сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиках (СКВИД) постоянных магнитных полей [4]. А нестационарный эффект Джозефсона применятся в метрологии для обеспечения квантового стандарта постоянного электрического напряжения, в цифровой электронике при разработке сверхбыстродействующих элементов логики, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, а также при исследованиях возможности создания генераторов, детекторов и спектрометров электромагнитного излучения [5]-[9].
Применения нестационарного эффекта Джозефсона для генерации, обнаружения и анализа электромагнитного излучения были предложены буквально сразу после открытия этого эффекта [10]. Однако, интенсивности джозефсоновской генерации у одиночных джозефсоновских переходов оказались весьма низки и поэтому генераторы электромагнитного излучения на одиночном джозефсоновском переходе используются в лишь в специальных случаях, а именно, в качестве опорных генераторов в супергетеродинных приемниках, работающих на сильной квазичастичной нелинейности в СИС переходах [И], и в спектроскопических экспериментах совместно с высокочувствительным низкотемпературным болометром [12].
Джозефсоновские переходы оказались весьма эффективными в качестве широкополосных детекторов электромагнитного излучения [13] и высокие, ограниченные тепловым фоном, значения предельной чувствительности NEP до 1-10" Вт/Гц были продемонстрированы на частоте 170 ГГц с использованием ниобиевых микроконтактов при гелиевых температурах [14].
Весьма интересным представляется применение джозефсоновских переходов в качестве частотно-селективных детекторов и, соответственно, спектрометров для исследования электродинамического окружения переходов и внешнего излучения. В этих спектроскопических применениях используется модификация динамики джозефсоновских колебаний под воздействием внешней пассивной электродинамической системы или внешнего электромагнитного излучения, что регистрируется по изменению статических вольтамперных характеристик (ВАХ) перехода. В рамках простой резистивной модели [13] джозефсоновского перехода было теоретически показано, что изменения ВАХ пропорциональны действительной части адмиттанса Re7(/J) внешней системы как функции джозефсоновской частоты fj [15]. В случае же внешнего излучения со спектральным составом S(f) изменения ВАХ пропорциональны преобразованию Гильберта от спектра падающего излучения [16].
Особый интерес представляет реализация детекторных и спектроскопических применений нестационарного эффекта Джозефсона в терагерцовом диапазоне частот. В последнее время этот диапазон, охватывающий область частот от 0.1 ТГц до 10 ТГц и являющийся промежуточным между микроволновой и инфракрасной областями спектра
привлекает все большее внимание исследователей, специализирующихся в физике твердого тела, физике высоких энергий, телекомуникациях, биологии, медицине и проблемах безопасности [17]-[19]. Общепринятые методы детектирования и спектроскопии, разработанные для более низких частот, в микроволновом диапазоне, или для более высоких частот, в инфракрасном диапазоне, существенно ухудшают свои параметры при применении их в промежуточном терагерцовом диапазоне [10].
Основные достижения в сверхпроводниковой электронике до последнего времени были связаны с использованием туннельных переходов из низкотемпературных сверхпроводников, таких как Nb или NbN, с рабочими температурами, как правило, в области температур жидкого гелия. Ограничение сверху на частотный диапазон у туннельных переходов связано с наличием в спектре возбуждений сверхпроводника энергетической щели 2А. Для Nb и NbN эти граничные частоты 2A/h составляют около 700 ГГц и 1200 ГГц, соответственно. Данное обстоятельство не позволяет существенно продвинуться вглубь терагерцового диапазона, используя переходы из традиционных низкотемпературных сверхпроводников. Кроме того, для эффективной работы ряда детекторов и спектроскопических методов, основанных на нестационарном эффекте Джозефсона, необходимо, чтобы джозефсоновские переходы описывались в рамках идеальной резистивной модели [13]. Приближение к резистивной модели возможно в реальных переходах с малой электрической емкостью при напряжениях V и частотах /, значительно ниже щелевых 2Д/е и 2А/И, соответственно. Это обстоятельство еще более ограничивает рабочие частоты таких устройств.
С открытием в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) [20], у которых щелевые частоты 2А/И могут достигать несколько десятков ТГц [21], появилась принципиальная возможность существенно расширить частотный диапазон сверхпроводящих приемных и спектроскопических устройств в область терагерцовых частот. Кроме того, их рабочие температуры могут быть повышены вплоть до температур 60-80 К, где возможно применение жидкого азота или компактных, эффективных и надежных криоохладителей замкнутого цикла, например, охладителей, работающих по циклу Стирлинга.
Джозефсоновские детектирование и спектроскопия как новые подходы с повышенными характеристиками и функциональными возможностями, представляются весьма перспективными для применения в широкой полосе частот, начиная от области сверхвысоких частот до малоисследованной терагерцовой области частот. Джозефсоновские детекторы и спектрометры, при реализации их потенциальных преимуществ в терагерцовой области частот, смогут составить конкуренцию методикам и устройствам, уже использующимся в этом диапазоне.
Целью диссертационной работы является реализация джозефсоновских методов детектирования и спектроскопии в широкой, вплоть до терагерцовой области частот электромагнитного излучения. Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
-
Разработка джозефсоновских переходов с характерными джозефсоновскими частотами, достигающими терагерцового диапазона.
-
Изучение статических и динамических электрических характеристик таких переходов, а также степени их близости к таковым в резистивной модели.
-
Разработка лабораторных макетов детекторов и спектрометров на основе таких джозефсоновских переходов;
-
Установление спектральных, мощностных и скоростных ограничений джозефсоновских детекторов и спектрометров;
-
Получение опыта применения таких устройств.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
-
Обнаружено, что нечетно-симмметричные частотно-селективные детекторные отклики джозефсоновских переходов на узкополосное электромагнитное излучение, измеренные как функции напряжения или центральной частоты излучения, уширяются при увеличении спектральной ширины излучения, на основании условий обнаружения указанных зависимостей разработаны аналоговые части гильберт-спектрометров, подтверждена работоспособность метода гильберт-спектроскопии при использовании ВТСП джозефсоновских переходов.
-
Установлены условия приготовления и электрические параметры эпитаксиальных пленок УВагСизСЬ-х с наклонными, до 72, осями с для применений в качестве базовых электродов в джозефсоновских переходов.
-
Разработаны методики приготовления и лазерного контроля джозефсоновских бикристаллических переходов из УВагСизСЬ-х с характерными напряжениями ICR„ до 8 мВ и отличиями их ВАХ от ВАХ в резистивной модели, не превышающими 0,5% при температурах выше 50К, для применений в терагерцовых детекторах и спектрометрах.
-
Продемонстрированы применения адмиттансной джозефсоновской спектроскопии для исследования потерь в барьерах и электродах ВТСП переходов, а также в их окружении.
-
Разработаны макеты частотно-селективных детекторов на основе джозефсоновских бикристаллических УВагСизСЬ-х переходов, в т.ч. с охлаждением без использования криогенных жидкостей, и достигнуты следующие параметры, определяемые собственными флуктуациями в переходах и поглощением на оптических фононах в УВагСизСЬ-х: спектральный диапазон _// = 5 GHz - 5 THz, относительное разрешение df/f до 10" , мощность, эквивалентная шуму, NEP = (8+5)-10- W/Hz , динамический диапазон по мощности /) = 10.
-
Разработаны макеты гильберт-спектрометров с использованием джозефсоновских детекторов из УВагСизСЬ-х, в т.ч. с охлаждением без использования криогенных жидкостей.
-
Продемонстированы применения гильберт-спектроскопии для быстрого анализа источников терагерцового излучения и идентификации жидкостей.
Достоверность полученных результатов подтверждена исследованиями на большом количестве УВагСизСЬ-х пленок и бикристаллических переходов, большим объемом измерений основных характеристик, использованием различных методов контроля параметров пленок и переходов, вариантами разработанных макетов, многократными демонстрациями практического использования. Значительная часть результатов, полученных впервые автором, согласуется также с результатами исследований, проведенными впоследствии другими научными группами.
Результаты проведенного цикла исследований представляют практическую ценность
для разработки широкополосных высокочувствительных и малоинерционных приемных и спектроскопических устройств, работающих в частотном диапазоне до нескольких ТГц. Проведенный цикл экспериментальных работ позволил:
-
Разработать методики приготовления ВТСП джозефсоновских переходов и лазерного контроля их качества, что позволило создать ВТСП переходы с рекордно высокими, до 8 мВ, величинами характерных напряжений и достигнуть рекордных величин, до 5.2 ТГц, частот джозефсоновской генерации.
-
Проводить оптимизацию рабочих температур и характеристик ВТСП переходов для применений с заданными полосой входных частот, точностью измеряемых сигналов и скоростью измерений.
-
Создать ряд экспериментальных макетов детекторных и спектроскопических устройств, в том числе и при интеграции ВТСП переходов с криоохладителями Стирлинга.
-
Использовать разработанные макеты для ряда применений, в том числе для спектрального анализа источников электромагнитного излучения до частот 5 ТГц и для идентификации жидкостей по отраженному излучению в диапазоне 10-1000 ГГц.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальная часть разработки метода гильберт-спектроскопии: обнаружение уширения джозефсоновского отклика внешним излучением, подтверждение работоспособности при использовании джозефсоновских переходов из высокотемпературных сверхпроводников и аналоговая часть спектрометров.
-
Условия приготовления и электрические параметры эпитаксиальных пленок УВагСизОу. х с наклонными, до 72, осями с для применений в качестве базовых электродов в джозефсоновских переходов.
3. Методики приготовления и лазерного контроля джозефсоновских бикристаллических
переходов из УВагСизОу-х с характерными напряжениями ICR„ до 8 мВ и отличиями их ВАХ
от ВАХ в резистивной модели, не превышающими 0,5% при температурах выше 50К, для
применений в терагерцовых детекторах и спектрометрах.
-
Демонстрация применения адмиттансной джозефсоновской спектроскопии для исследования потерь в барьерах и электродах ВТСП переходов, а также в их окружении.
-
Разработка макетов частотно-селективных детекторов на основе джозефсоновских бикристаллических УВагСизОу.х переходов, в т.ч. с охлаждением без использования криогенных жидкостей, и достижение параметров, определяемых собственными флуктуациями в переходах и поглощением на оптических фононах в УВагСизОу.х, а именно: спектральный диапазон fj =5 GHz - 5 THz, относительное разрешение df/f до 10" , мощность, эквивалентная шуму, NEP = (8+5)-10- W/Hz , динамический диапазон по мощности /) = 10.
-
Разработка макетов гильберт-спектрометров с использованием джозефсоновских детекторов из УВагСизОу.х, в т.ч. с охлаждением без использования криогенных жидкостей.
-
Демонстрация применений гильберт-спектроскопии для быстрого анализа источников терагерцового излучения и для идентификации жидкостей.
Разработанные методы приготовления и контроля качества ВТСП джозефсоновских переходов, проведенные экспериментальные исследования их основных свойств, реализация детекторных и спектроскопических применений, могут рассматриваться как решение крупной научной проблемы в сверхпроводниковой электронике - создание технологических и физических основ детекторов и спектрометров на основе ВТСП джозефсоновских переходов.
Диссертация выполнена в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, а также в Исследовательском центре г. Юлиха (ФРГ) согласно соглашению о научном сотрудничестве между ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и Исследовательским центром г. Юлиха. Ее основные результаты получены в ходе выполнения плановых научно-исследовательских работ, проводимых в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, проектов Совета по ВТСП, государственных контрактов Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦНТП, грантов РФФИ и МНТЦ, а также договоров о научном сотрудничестве, в которых автор диссертации был ответственным исполнителем или руководителем.
Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на научных семинарах и Ученых Советах в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (2010, Москва,) и Институте физики твердого тела Исследовательского центра г. Юлиха (1999, Юлих, ФРГ), заседаниях Германского физического общества (2000, 2001 (приглашенный), ФРГ), международных научных семинарах по криоэлектронным устройствам (2001, 2004, 2007, ФРГ), терагерцовым технологиям (2005 (приглашенный), Osaka, Япония), по европейской сети ускорителей электронов (2004, Frascati, Италия), детектированию жидких взрывчатых веществ (2007 (приглашенный), С.Петербург, Россия), наноструктурированным сверхпроводникам (2008
(приглашенный), Freudenstadt-Lauterbad, ФРГ), на приглашенных семинарах в фирме Conductus Inc. (1998, Sunnyvale, США), Международном центре сверхпроводниковой технологии (2005, International Superconductivity Technology Center, Tokyo, Япония), Католическом Университете г. Левена (2008, Lueven, Бельгия). Результаты работы докладывались на международных конференциях по прикладной сверхпроводимости (Applied Superconductivity Conference, ASC) 1982, 1988, 1990, 1992, 1996, 1998, 2000, 2002, 2006, 2010; по сверхпроводниковой электронике (International Superconductive Electronics Conference, ISEC) 1989, 1997, 2009 (приглашенный); по инфракрасным и миллиметровым волнам (International Conference on Infrared and Millimeter Waves, IRMMW) 1984, 1989, 2001, 2004 (приглашенный), 2006, 2009, 2010; по исследованиям в области безопасности (Future Security Research Conference) 2007, 2008, 2010; по материалам и механизмам сверхпроводимости и высокотемпературным сверхпроводникам (International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors, M2S-HTSC) 1994, 2006; по прикладному электромагнетизму и коммуникациям (International Conference on Applied Electromagnetics and Communications, Dubrovnik, Хорватия) 2005 (приглашенный); по наноэлектронным устройствам для обороны и безопасности (Nanoelectronic Devices for Defense & Security Conference, Crystal City, CIHA)2007 (приглашенный); по фундаментальным проблемам высокотемпературной сверхпроводимости (2006, Звенигород, Россия); по ускорителям частиц 1999 ШЕЕ Particle Accelerator Conference (1999, New York, США); на европейских конференциях по прикладной сверхпроводимости (European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS) 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009. 5 докладов в научных организациях и фирмах, а также 9 докладов на международных конференциях, семинарах и школах являются приглашенными.
Личный вклад автора
Представленная диссертация является циклом экспериментальных работ. В работах [А1]-[А5] диссертанту принадлежат следующие результаты: обнаружение уширения джозефсоновского отклика внешним излучением и разработка аналоговой части спектрометров. Все приведенные в диссертации экспериментальные результаты в работах [А6]-[А84] получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии, где соискателю принадлежит основная роль в постановке задачи и в разработке экспериментальных методик, а также интерпретации результатов и написании работ. Основная часть образцов сверхпроводящих пленок и джозефсоновских переходов (в работах [А1]-[А6], [А30]-[А36], [А38]-[А84]) изготовлена лично соискателем. Пленки и джозефсоновские переходы, использовавшиеся соискателем на начальном этапе данного цикла работ до 1994 г., изготовливались И.М. Котелянским, С.Г. Зыбцевым, Р.Н. Шефталем (ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН), в группе P. Chaudhari (ШМ), в группе A. Braginski (Forschungszentrum Jiilich), в группе Т. Freltoft (NKT). Подложки из NdGa03 изготавливались И.М. Котелянским (ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН). Исследования наноструктуры УВагСизСЬ-х пленок и переходов, приготовленных соискателем, с помощью просвечивающей электронной микроскопии проводились сотрудниками J.-W. Seo и C.-L. Jia из Института микроструктурных исследований под руководством профессора К. Urban (Исследовательский центр г. Юлиха, ФРГ). Вклад в разработку авторских свидетельств и патентов считается равным.
Публикации
Основные результаты диссертации отражены в 84 печатных работах, в том числе 78 статьях и 6 авторских свидетельствах и патентах. Все эти печатные работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень Высшей аттестационной комиссией (ВАК). Список основных публикаций соискателя в изданиях, включенных в перечень ВАК (в том числе, входящих в системы цитирования Web of Science, Scopus, Web of Knowledge), приведен в
конце диссертации. Общий объем работ, опубликованных по теме диссертации, составляет, приблизительно, 440 страниц.
Представленный цикл работ не включает материалы, вошедшие в кандидатскую диссертацию автора, которая была защищена в ИРЭ в 1979 году [14]. Однако, первое экспериментальное подтверждение работы гильберт-спектроскопии было получено с помощью ниобиевых микроконтактов, разработанных во время работы автора над кандидатской диссертацией, и из экспериментов, проведенных во время работы автора над кандидатской диссертацией.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка опубликованных печатных работ из 84 наименований и списка цитированной литературы из 68 наименований. Она содержит 164 страниц текста, включая 41 рисунок и 2 таблицы.
Перспективные применения джозефсоновских методов детектирования и спектроскопии
Применения нестационарного эффекта Джозефсона для генерации, обнаружения и анализа электромагнитного излучения были предложены буквально сразу после открытия этого эффекта [20]. Однако, интенсивности джозефсоновской генерации у одиночных джозефсоновских переходов оказались низкими, и поэтому генераторы электромагнитного излучения на одиночном джозефсоновском переходе используются в системах с другими сильно нелинейными и/или высокочувствительными устройствами, например, в качестве опорных генераторов в супергетеродинных приемниках, работающих на сильной квазичастичной нелинейности в СИС переходах [22], или в спектроскопических экспериментах совместно с высокочувствительным низкотемпературным СИНИС болометром [23].
Джозефсоновские переходы оказались весьма эффективными в качестве широкополосных и частотно-селективных детекторов электромагнитного излучения [13]. В частности, высокие, ограниченные тепловым фоном, значения предельной чувствительности NEP до 1-Ю"14 Вт/Гцш на входном окне классического детектора были продемонстрированы на частоте 170 ГГц с использованием ниобиевых микроконтактов при гелиевых температурах [24].
Особый интерес представляет реализация детекторных и спектроскопических применений нестационарного эффекта Джозефсона в терагерцовом диапазоне частот. В последнее время этот диапазон охватывающий область частот от 0:1 ТГц до 10 ТГц и являющийся промежуточным между СВЧ и инфракрасной областями спектра, привлекает все большее внимание исследователей, специализирующихся в физике твердого тела, физике высоких энергий, телекоммуникациях, биологии, медицине и проблемах безопасности [10]-[12]. Общепринятые методы детектирования и спектроскопии, разработанные для более низких частот в СВЧ диапазоне, или для более высоких частот в инфракрасном диапазоне, существенно ухудшают свои параметры, при применении их в промежуточном терагерцовом-диапазоне [11].
С одной стороны, эффективность устройств, основанных на смешении сигналов когерентных микроволновых источников, быстро уменьшается с уменьшением длины волны и, кроме того, эта техника не позволяет обеспечить непрерывные измерения в широкой частотной полосе из-за малой частотной полосы перестройки когерентных источников электромагнитного излучения. С другой стороны, непрерывные измерения широкополосного спектра могут быть выполнены путем расширения области применения фурье-спектроскопии от инфракрасного к дальнему инфракрасному диапазонам, но эффективность этой, по существу оптической техники уменьшается с увеличением длины волны из-за роста дифракционных потерь и низкой интенсивности тепловых источников электромагнитного излучения. Относительно недавно стала интенсивно азвиваться терагерцовая спектроскопия временного разрешения (time-domain spectroscopy), которая базируется на использовании быстротекущих электромагнитных процессов, генерируемых оптоэлектронными методами с помощью импульсов, фемтосекундного лазера [21]. Но, к сожалению, эта техника не может использоваться для- спектрального анализа терагерцовых источников с произвольным спектром излучения и тем более для быстрого анализа, поскольку использование механически перестраиваемой оптической линии задержки является обязательным условием применения такой техники:
Потенциально высокие параметры джозефсоновских переходов, такие как быстродействие; широкополосность и чувствительность к электромагнитному излучению, а также простота сканирования спектра путем изменения напряжения на переходе, могут оказаться- перспективными при реализации быстродействующих частотно-селективных детекторных и спектроскопических устройств в терагерцовом диапазоне частот. Джозефсоновские детекторы и спектрометры, при реализации их потенциальных преимуществ в терагерцовой области частот, смогут составить конкуренцию методикам и устройствам, уже использующимся в этом диапазоне.
Целью диссертационной работы является реализация джозефсоновских методов детектирования и спектроскопии в широкой, вплоть до терагерцовой области частот электромагнитного излучения. Для достижения этой цели необходимо проведение цикла экспериментальных исследований, включающих разработку джозефсоновских переходов с характерными джозефсоновскими частотами, достигающими терагерцового диапазона; изучение статических и динамических электрических характеристик таких переходов, а также степени их близости к таковым в резистивной модели; разработку лабораторных макетов детекторов и спектрометров на основе таких джозефсоновских переходов; изучение спектральных, мощностных и скоростных ограничений таких устройств; получение опыта применения таких устройств.
К моменту начала работы соискателем над данной диссертацией не существовало джозефсоновских переходов, которые описывались бы резистивной моделью и, в то же время, могли бы иметь джозефсоновские частоты в терагерцовом диапазоне. Ниобиевые микроконтакты, ранее использовавшиеся в экспериментах по детектированию [24], имели высокие значения характерных напряжений IcRn около 2 мВ при гелиевых температурах и высокую чувствительность к субтерагерцовому излучению. Однако, даже их статические вольтамперные характеристики (ВАХ) существенно отличались от ВАХ из резистивной модели, в частности, из-за наличия избыточного тока и субгармонических щелевых особенностей [24], [25].
ВТСП как базовые материалы для джозефсоновских переходов
Наиболее важным элементом в гильберт-спектроскопии является конечно джозефсоновский переход, удовлетворяющий условиям идеальной резистивной модели. Реальные джозефсоновские переходы оказываются, однако, более сложными системами, у которых как и джозефсоновский ток Ij(V), так и ток квазичастиц IQ(V) существенно отличаются от аналогичных вкладов в полный ток в резистивной модели [27], а также в полном токе могут присутствовать дополнительные компоненты такие, как избыточный ток 1ех, обусловленный андреевским отражением квазичастиц, и ток смещения [28].
Например, в переходах сверхпроводник-сужение-сверхпроводник (СсС), соотношение «ток-фаза» і,(ф) для джозефсоновского тока описывается зависимостью sin# только при температурах, близких к критической температуре сверхпроводника, а при низких температурах это соотношение может содержать и более высокие гармоники sinAxp {к = 2,3,...), которые усложняют динамику джозефсоновского перехода. Похожая ситуация. и в переходах СНС с прослойкой из нормального металла [27]. В1 переходах СИС туннельного типа с тонкой изолирующей прослойкой малой прозрачности соотношение «ток-фаза» для джозефсоновского тока пропорционально smep без вклада высших гармоник при всех температурах [27], однако квазичастичный ток IQ(V) И амплитуда джозефсоновского тока Ij(V) демонстрируют сильные нелинейные особенности при напряжениях V = 2А/е, соответствующих энергетической щели сверхпроводника 2А [28].
Для эффективного использования в терагерцовом диапазоне джозефсоновские переходы должны иметь величины характерного напряжения IcRn порядка 1 мВ или выше. Такая величина IcRn для переходов из низкотемпературных сверхпроводников оказывается порядка щелевых величин, что обуславливает значительные отклонения от резистивной модели как в вольтамперных характеристиках, так и в детекторных свойствах. Это обстоятельство имеет существенное значение и фактически не позволяет использовать низкотемпературные сверхпроводники с относительно малой величиной энергетической щели 2А для количественной гильберт-спектроскопии в терагерцовом диапазоне.
Из-за более высоких значений энергетических щелей (40-80 мВ) ВТСП [15] джозефсоновские переходы из этих материалов с величиной ICR„ порядка 1 мВ могут гораздо лучше соответствовать резистивной модели по сравнению с переходами из низкотемпературных сверхпроводников с близкими величинами IcRn. Кроме того, ожидалось, что спектральная область высокой чувствительности к воздействию внешнего электромагнитного излучения, сама. чувствительность и область рабочих температур гильберт-спектроскопии могут быть значительно расширены и улучшены при использовании ВТСП джозефсоновских переходов.
Наиболее исследованным и технологичным ВТСП материалом является YBa2Cu307-x. Этот материал имеет орторомбическую кристаллографическую структуру с параметрами решетки а = 0.382 нм, Ъ = 0,389 нм, с = 1,168 нм. Кислород входит в состав двух Cu(2)-0(2)-Cu(2)-0(3) плоскостей, находящихся между атомами Y и Ва, в состав Си(1)-0(1) цепочек и в позициях 0(4), между указанными цепочками и плоскостями. Сверхпроводник YBa2Cu307-x характеризуется критической температурой Тс = 93 К при х 0.07, что означает заполнение практически всех позиций 0(1) в цепочках Си(1)-0(1) кислородом и наличие малого числа вакансий. При х = 1 все позиции O(l) вакантны, такой материал имеет тетрагональную структуру и не является- сверхпроводящим. Две плоскости Cu(2)-0(2)-Cu(2)-0(3) (в других ВТСП сверхпроводниках их может быть больше) отвечают за основные сверхпроводящие свойства материала. Данный сверхпроводник характеризуется величинами энергетических щелей 2АХ = 58 мВ,,2Ау= 88 мВ [15] и особой, типа d-wave, симметрией параметра порядка [29]. Основное препятствие в разработке высококачественных джозефсоновских переходов из ВТСП обусловлено очень малыми величинами длины когерентности ВТСП. Например, у УВагСизС -х длина когерентности достигает величины всего 1.5 нм в плоскости а-Ь и даже существенно меньше этой величины в направлении оси- с, перпендикулярной плоскости а-Ь. Создание классического джозефсоновского перехода типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник из ВТСП с искусственным изолирующим барьером можно практически исключить даже для направлений в плоскости а-Ь, поскольку для перекрытия волновых функций берегов перехода ширина барьера должна быть весьма малой, сравнимой с длиной когерентности. Такое ограничение можно обойти за счет использования прослойки из нормального металла, которая обеспечит перекрытие волновых функций из-за эффекта близости в металле, находящемся в контакте со сверхпроводником. Однако, как уже отмечалось выше, из-за несинусоидального характера зависимость ток-фаза динамика перехода СНС может быть более сложной, чем в резистивной модели. Впрочем, для низкочастотных применений, например, в СКВИД [30], это обстоятельство не имеет существенного значения, в отличие от исследуемых в данной работе терагерцовых применений.
Малые величины длины когерентности в ВТСП приводят к быстрому подавлению волновой функции сверхпроводящего конденсата вблизи атомных дефектов любого рода, присутствующих в этих материалах, таких как двойники, дислокации, границы зерен и т.п. [29]. Оказалось, что границы ВТСП зерен, ведут себя как джозефсоновские переходы при больших углах взаимных разориентировок. Различные типы ВТСП переходов, использующие границы зерен, различаются по виду контролируемого приготовления этих границ с заданными разориентациями. Наиболее перспективными для электроники являются тонкопленочные варианты переходов, поэтому мы уделили внимание исследованию именно этих реализаций.
Исследования пространственнойэлектрической неоднородности
Нанесение УВагСизОу.х тонких пленок осуществлялось методом катодного распыления стехиометрическои мишени диаметром 35 мм в атмосфере чистого кислорода при постоянных напряжениях 200-230 В и при довольно высоких давлениях 2.5-4 мбар. Для предварительной оптимизации качества пленок сначала использовались данные, приведенные в работе [31], а более точные параметры нанесения пленок определялись по результатам электрических измерений в диапазоне температур 80 - 300К.
Получение оптимальных УВагСіїзОу-х пленок на подложках из NdGaC 3 потребовали коррекций параметров распыления в сторону больших температур подложек по сравнению с данными в работе [31]. Так, например, низкоомные УВагСизСЬ-х пленки на подложках из NdGa03 с высокими, до 92 К, значениями критической температуры получались приг температурах нагревателя, до 930-950С, а расстояния подложка-мишень и давление кислорода выбирались так, чтобы светящаяся область разряда в кислороде была близка к подложке, но не касалась ее [A3 8]. Скорости напыления были в диапазоне 40-70 нм/час.
После распыления подложки с пленкой охлаждались до температуры нагревателя в 550С, напускалсяі кислород при-атмосферном давлении и после выдержки около получаса подложки охлаждались до комнатной температуры. Такая- загрузка кислородом позволяла получать Ва2Сиз07-х пленки с максимальной критической температурой.
Получение необходимых конфигураций тонких пленок производилось методами ультрафиолетовой фотолитографии с использованием резиста из полиметилметакрилата (ПММА) и жидкостного травления в 0.1% растворе брома в этаноле. Были предприняты попытки использовать ионное травление в аргоне для формирования рисунка на УВаоСизОу-х пленках, напыленных на бикристаллические подложки из NdGa03 [A3 8]. При этом получались более высокоомные переходы с пониженными значениями характерных напряжений по сравнению с аналогичными характеристиками, достигавшимися при использовании химического травления. Использование последующего отжига в кислороде приводило к понижению сопротивлений переходов в десятки раз, однако характерные напряжения были приблизительно в два раза меньше, чем при использовании химического травления [A3 8]. По этой причине нами использовалось только химическое травление и с его помощью можно было сформировать мостики у бикристаллических переходов шириной до 0,5 мкм.
Для нанесения металлических покрытий на УВагСизСЬ-х пленки использовалось катодное распыление металлических мишеней в атмосфере аргона при давлении около 0.01 мбар. При этом использовалась либо тонкая титановая маска, накладывавшаяся на пленку, либо использовалась маска из ПММА и процедура «лифт-офф». Стандартными металлическими покрытиями были серебро, золото или платина. Последний материал использовался в случае последующей обработки переходов в озоне.
После распыления ТВа2Сиз07-х тонких пленок на подложки образцы, подвергались ряду технологических операций, в которых могли чередоваться нагрев, использование различных химикатов, помещение в вакуум, нанесение металлических пленок, хранение при комнатной температуре в течение длительного времени. Было обнаружено, что YBa2Cu307-x пленки не подвергаются существенным изменениям при этих операциях, а бикристаллические переходы могут несколько увеличивать величины сопротивлений, что может быть связано с потерей кислорода в бикристаллическом шве. Для контролируемого увеличения содержания кислорода в УВаоСизОу-х переходах была разработана установка низкотемпературного отжига образцов в атмосфере озона [А71], [32]. С помощью такого отжига можно было существенно понизить сопротивление переходов и приблизить их ВАХ к резистивной модели.
Структурные исследования YBa2Cu307-x пленок и переходов В распоряжении автора работы имелись возможности проводить интегральные измерения кристаллографического совершенства получаемых пленок с помощью рентгеновской дифракции. Однако, УВа2Сиз07-х пленки, необходимые для приготовления качественных бикристаллических переходов, должны обладать высокой локальной степенью кристаллографической однородности, которую дифракционные методы могут и не показать. Например, в случае с-ориентированных YBa2Cu307-x пленок с малым содержанием -ориентированных доменов того же материала, рентгеновский спектр (20 скан) практически не отличается от совершенной с— ориентированной пленки. Наличие же а-ориентрованных доменов в области барьера перехода может существенно повлиять на транспортные свойства переходов. Поэтому, после интегральных рентгеновских исследований пленок на первых этапах отработки технологии их приготовления, большое внимание уделялось локальным, методам исследованиям. Детальные исследования наноструктуры изготовленных соискателем YBa2Cu307-x пленок и переходов проводилось с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEOL - 4000 ЕХ сотрудниками Института микроструктурных исследований J.-W. Seo и C.-L. Jia под руководством профессора К. Urban (Исследовательский центр г. Юлиха, ФРГ). Морфология поверхности NdGaOa подложек, YBa2Cu307-x пленок и переходов изучалась соискателем с помощью микроскопа атомных сил PicoSPM (Molecular Imaging). В УВа2Сиз07-х пленках с-ориентированные и а-ориентированные зерна имеют различающуюся форму и легко отслеживаются с помощью этого микроскопа. Разрешение в вертикальном направлении позволяло визуализировать ступеньки роста высотой в единичный размер ячейки УВа2Сиз07-х в с-направлении (1,167 нм). Разрешение в горизонтальном направлении определялось размерами острия и могло составлять порядка десятка нанометров.
Переходы из пленок с взаимнонаклоненными осями
После изучения структурных и низкочастотных электрических свойств у ВТСП бикристаллических переходов» исследовались проявления нестационарного. эффекта Джозефсона. Поскольку калиброванного широкополосного спектрометра электромагнитного излучения, работающего от единиц ГГц до- 10 ТГц, в природе не существовало, соискателем была разработана методика оценки джозефсоновских свойств, переходов, использующая аналитические свойства квадратичного отклика, AI(V) джозефсоновского перехода (8) на слабое монохроматическое излучение различных частот /.
При этом была предложена процедура самокалибровки [А6], [А46], [А57], согласно которой экспериментальный отклик AI(V) на электромагнитное излучение с частотой / нормировался на изменение критического тока А1С перехода, вызванное тем излучением: Величина А1С определялась экстраполяцией части отклика AI(V), измеренной при малых напряжениях, к, V = 0. В такой нормировке максимальные амплитуды резонансных откликов AI(V)M!iKJAIc на излучение с частотой /, рассчитанные из отклика Al(V) в резистивной модели (см. выражение (8)), не зависят от амплитуды тока Is, наведенного внешним излучением, пропорциональны/3 при низких частотах/ /с= iQlcRnfh и не зависят от частоты при / fc.
Зависимость AI(V)MaKC/AIc ос / 3 при низких частотах обусловлена возрастанием амплитуды первой гармоники джозефсоновских колебаний из-за изменения характера осцилляции (ос / ) и уменьшения ширины линии 5/ джозефсоновской генерации (ос / ) с повышением- частоты в этой области частот. А независимость A/(F)MaKC/A/c от частоты, при высоких частотах обусловлена отсутствием частотной зависимости амплитуды джозефсоновских колебаний в резистивной модели. При такой нормировке каждый набор откликов, измеренных для различных частот для одного перехода, может быть сравнен с аналогичным набором для другого перехода, а также отклонения от частотно-независимого поведения амплитуд джозефсоновской генерации в реальных переходах могут быть легко обнаружены.
Для согласования переходов с электромагнитным излучением в широком диапазоне от СВЧ до терагерцового была выбрана логпериодическая антенна с синусоидальным профилем [55]. Был выбран компромиссный вариант рисунка антенны, при котором1 амплитуда модуляции краев антенны была умеренной, чтобы по центральной части антенны можно было пропускать значительный постоянный ток через переход, находящийся в центре антенны [А41], [А42]. Соответствующая фотография перехода с антенной, выполненная в отраженном поляризованном свете, показана на рис. 21. В центре антенны размещен YBa2Cu307-x пленочный мостик с шириной 2 мкм, пересекающий бикристаллическую границу в NdGa03 подложке, расположенную на фотографии в вертикальном направлении и видную как граница между двумя частями подложки с различающимся поляризационным контрастом. Антенна выполнена из Ag тонкой пленки, нанесенной на YBa2Cu307-x пленку.
Рисунок антенны имеет по 25 вибраторов синусоидальной формы с каждой стороны плеча. Её логпериодическая геометрия определяется соотношением между радиусами Rh соответствующими положениям вибраторов: Rn+ilRn гДе Для данной антенны г =1.25, а максимальный и минимальный радиусы 7?Maw=1000 цм и R0=5 цм. Углы р1Л, определяющие отдельные вибраторы с каждой из сторон антенны, описываются соотношениями р1 = (ро + a S m[a log(R/R0)] и qr = р02 + a -Sm[a-log(r/r0)], где г0 = R0 /2, a, a, RQ- параметры, задающие геометрию антенны. При работе на подложке из NdGa03 с эффективной диэлектрической проницаемостью =21 антенна должна была работать, согласно расчетам, в диапазоне частот от 25 ГГц до 7 ТГц с характерным активным сопротивлением ReZ= 60п/[(є+1)/2]ш = 57 Ом.
Реальные характеристики антенны, изготовленной из YBa2Cu307.x, были исследованы с помощью джозефсоновской адмиттансной спектроскопии [А83]. ВАХ и дифференциальное сопротивление R V) YBa2Cu307.x бикристаллического перехода из с-ориентированных пленок при температуре 4,5 К представлена на рис. 22 (вверху). Действительная часть адмиттанса ReF(/) антенны с джозефсоновским переходом (рис. 22, внизу, нижняя кривая) была получена из данных измерений ВАХ при Т = 4,5 К согласно уравнению (7). Мы предполагаем, что основной вклад в-нее вносят потери в материале антенны и в области слабой связи, которые приводят к медленно меняющейся зависимости, на масштабе частот 100 ГГц [А83].
На фоне медленно меняющейся с частотой компоненты на данной кривой также наблюдается быстро осциллирующая составляющая с существенно меньшей амплитудой. Для ее исследования использовались данные измерений дифференциального сопротивления RJV), из которого вычиталась медленно меняющаяся компоненту, после чего вычислить изменение напряжения bV(I) с помощью интегрирования [А83]. Быстро меняющаяся часть Re[7(/) - f[, полученная таким образом, приведена на верхней кривой рис. 22. В связи с тем что измерения проводились при конечной температуре, в Г наряду с медленной составляющей адмиттанса включена погрешность, связанная с конечностью нижнего предела интегрирования дифференциального сопротивления. Геометрическая форма антенны обеспечивает периодическую зависимость всех характеристик антенны, в том числе и ReY(f) от логарифма частоты/ Пиковые значения действительной части адмиттанса соответствуют максимумам мощности излучения, которые имеют место при резонансных
