Детекторные характеристики YBa2Cu3O7-x бикристаллических джозефсоновских переходов с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот Лятти Матвей Валерьевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор литературы. 11

1.1 Эффект Джозефсона. 11

1.2 Основы теории Гильберт-спектроскопии. 14

1.3 Основные типы бикристаллических переходов из ВТСП. 17

1.4 Основные модели барьера в бикристаллических переходах из ВТСП. 19

1.5 Избыточные низкочастотные шумы в бикристаллических переходах из ВТСП . 22

1.6 Изменение электрических характеристик бикристаллических переходов из ВТСП при помощи насыщения их кислородом. 24

1.7 Детекторные характеристики бикристаллических переходов из ВТСП. 25

1.8 Постановка задачи. 27

2. Основные черты экспериментальных установок. 30

2.1 Экспериментальная установка для исследования электрических и шумовых характеристик бикристаллических переходов из ВТСП. 30

2.1.1. Блок-схема установки для исследования электрических и шумовых характеристик бикристаллических переходов из ВТСП . 30

2.1.2. Схема блока аналоговой электроники и его характеристики. 33

2.1.3. Принципиальная схема и характеристики малошумящего криогенного усилителя. 35

2.2. Экспериментальная установка для исследования детекторных характеристик бикристаллических переходов в терагерцовой области частот. 36

2.2.1. Блок-схема установки для исследования детекторных характеристик бикристаллических переходов в терагерцовой области частот. 36

2.2.2. Электрическая часть установки для исследования детекторных характеристик бикристаллических переходов и ее характеристики. 38

2.2.2.1. Схема электрических измерений. 38

2.2.2.2. Блок аналоговой электроники и его характеристики. 41

2.2.2.3. Аналоговый малошумящий генератор развертки. 43

2.2.3. Квазиоптическая часть экспериментальной установки . 44

2.3. Экспериментальная установка для насыщения бикристаллических переходов кислородом. 48

2.3.1. Обзор методик насыщения бикристаллических переходов кислородом. Выбор методики насыщения бикристаллических переходов кислородом. 48

2.3.2. Блок-схема экспериментальной установки для насыщения бикристаллических переходов кислородом. 49

3. Электрические и низкочастотные шумовые характеристики бикристаллических переходов из УВагСизСЬ-х. 52

3.1. Введение. 52

3.2. Методика измерения электрических и шумовых параметров бикристаллических переходов. 53

3.3. Вольт-амперные характеристики бикристаллических переходов. 55

3.4. Основные отклонения ВАХ бикристаллических переходов от резистивной модели . 60

3.5. Низкочастотные шумовые характеристики бикристаллических переходов. 65

3.6. Анализ экспериментальных результатов. 76

3.7. Выводы. 78

4. Влияние отжига в атмосфере атомарного кислорода на электрические и шумовые характеристики бикристаллических переходов . 80

4.1. Введение. 80

4.2. Влияние технологического процесса формирования тонкопленочного бикристаллического перехода на параметры бикристаллической границы. 81

4.3. Методика отжига мостиков из УВа2Сиз07-х и бикристаллических переходов в атмосфере озона . 86

4.4. Влияние отжига в атмосфере озона на критический ток и критическую температуру тонких пленок УВа2Сиз07-х. 89

4.5. Вольт-амперные характеристики бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001 ] до и после отжига в атмосфере озона. 92

4.6. Низкочастотные шумовые характеристики бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001] до и после отжига в атмосфере озона. 95

4.7. Анализ экспериментальных результатов. 97

4.8. Выводы. 103

5. Теоретическая оценка предельных характеристик частотно-селективного детектора на основе джозефсоновского перехода . 105

5.1. Введение. 105

5.2. Оценка предельной скорости сканирования спектра при помощи частотно-селективного детектора на основе джозефсоновского перехода. 105

5.3. Оценка NEP частотно-селективного детектора с учетом избыточных низкочастотных флуктуации. 110

5.4. Оценка динамического диапазона по мощности частотно-селективного детектора. 117

5.5 Выводы. 123

6. Исследование детекторных характеристик частотно-селективного детектора на основе бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот. 124

6.1. Введение. 124

6.2. Методика измерений отклика напряжения бикристаллического перехода на внешнее монохроматическое излучение. 125

6.3. Согласование бикристаллического перехода с внешним излучением. Оценки потерь внутри квазиоптического тракта. 131

6.4. Экспериментальное исследование детекторных характеристик бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями [001] на частоте 692 ГГц. 134

6.5. Экспериментальное исследование полихроматического спектра излучения газового лазера дальнего ИК диапазона при помощи частотно-селективного детектора на основе бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001]. 143

6.6. Выводы. 148

Основные результаты и выводы. 150

Ссылки. 153

Благодарности. 160

• Избыточные низкочастотные шумы в бикристаллических переходах из ВТСП
• Блок-схема установки для исследования электрических и шумовых характеристик бикристаллических переходов из ВТСП
• Основные отклонения ВАХ бикристаллических переходов от резистивной модели
• Методика отжига мостиков из УВа2Сиз07-х и бикристаллических переходов в атмосфере озона

Введение к работе

Актуальность проблемы. В последнее время, в связи с повысившимся интересом к применению терагерцовых технологий в сфере медицины, биологии и безопасности, разработаны новые типы источников терагерцового излучения, такие как квантовые каскадные лазеры, широкополосные источники, использующие релятивистские электроны, широкополосные источники, работающие на эффекте фотопроводимости или электрооптических эффектах при накачке фемтосекундными лазерными импульсами [1-3]. Отличительной чертой новых терагерцовых источников является нестационарность происходящих в них физических процессов и, как следствие этого, импульсный характер их выходного излучения. Импульсный характер излучения предъявляет определенные требования на спектроскопические методики, использующиеся для спектрального анализа данных источников терагерцового излучения. В первую очередь это малое время отклика, большой динамический диапазон по мощности и высокая скорость сканирования спектра.

По сравнению с традиционными спектроскопическими методами, используемыми в данной области частот [4,5], Гильберт-спектроскопия (ГС) [6], основанная на эффекте взаимодействия джозефсоновской генерации с внешним излучением, позволяет осуществлять быстрый спектральный анализ как непрерывных, так и импульсных терагерцовых источников с произвольным спектром излучения. В рамках резистивной модели (РМ) [7] джозефсоновского перехода (ДП) частотно-селективный отклик тока ДП связан со спектром внешнего излучения преобразованием Гильберта. Таким образом, спектр произвольного внешнего излучения может быть восстановлен из зависимости отклика ДП на это излучение при помощи обратного преобразования Гильберта [6]. Из-за использования преобразования Гильберта данная методика и получила название ГС, а детектор, использующий частотно-селективный режим работы ДП, получил название частотно-селективный джозеф-соновский детектор.

Приближение РМ обычно выполняется в ДП при напряжениях V « 2Л/V = hfi /2е, то, очевидно, что для осуществления ГС в терагерцовом диапазоне частот необходимы ДП из сверхпроводников с величиной энергетической щели порядка нескольких десятков миллиэлектронвольт. На данный момент такими сверхпроводниками являются высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на основе купратов. Среди ДП из ВТСП наилучшим согласием с РМ, а также самыми высокими значениями характерного напряжения V_c=I_cR_n, где 1_С и R„ - критический ток и сопротивление ДП в нормальном состоянии, соответственно, обладают бикристал-лические переходы (БП). Наибольшее распространение получили БП с вертикаль-

ными осями [001] (БПВ), которые получаются при напылении пленки из ВТСП с вертикальной осью [001] на бикристаллическую подложку [8]. Значения V_c данного типа переходов достигает 0,2-0,3 мВ при Т = 11 К и 2-3 мВ при Т = 4,2 К. Однако при температурах ниже 40 - 50 К характеристики БПВ существенно отклоняются от РМ. Минимум эквивалентной шумовой мощности NEP частотно-селективного джозефсоновского детектора находится при напряжении 0,9 V_c. Следовательно, при температуре кипения жидкого азота минимум NEP частотно-селективного детектора на основе БПВ будет лежать в области частот 90 - 130 ГГц [9].

Недавно были получены БП из ВТСП с наклонными осями [001] (БПН) с рекордными значениями характерного напряжения до 8 мВ при Т = 4,2 К [10,11]. Согласно оценкам, основанным на РМ, минимум NEP частотно-селективного джозефсоновского детектора на основе БПН должен лежать в диапазоне 400 - 500 ГГц даже при температуре кипения жидкого азота, что делает их перспективными для применения в терагерцовой области частот. Также было показано, что с геометрической точки зрения бикристаллическая граница в БПН обладает на порядок большей пространственной однородностью, чем в БПВ, в которых из-за островкового роста пленки с вертикальной осью [001] бикристаллическая граница состоит из отдельных фасеток с разной разориентацией [10,11]. Неоднородность бикристаллической границы сильно затрудняет теоретическое описание транспортных характеристик БПВ. БПН лишены этого недостатка, поэтому исследование электрических и шумовых характеристик данного типа переходов может пролить свет на механизмы транспорта тока в БП из ВТСП.

Вышесказанное обуславливает актуальность данной диссертационной работы, посвященной исследованию детекторных характеристик YQn₂Cu^Oi-_x бикристалли-ческих джозефсоновских переходов с взаимнонакло не иными осями [001] в терагерцовой области частот.

Целью настоящей работы являлось исследование электрических, низкочастотных (НЧ) шумовых и детекторных характеристик в терагерцовой области частот YBa₂Cu30₇-x БП с взаимнонаклоненными осями [001], а также исследование возможности использования таких БП для Гильберт-спектроскопии в терагерцовой области частот.

На защиту выносятся оригинальные результаты, составляющие научную новизну и практическую ценность данной работы.

Научная новизна работы и представленных в ней результатов: 1. Впервые получены YBa₂Cu30₇-x бикристаллические джозефсоновские переходы с наклонными осями [001], у которых вольт-амперные характеристики в диапазоне температур 55 - 75 К с точностью до долей процента согласуются с аналогичными характеристиками из РМ, что существенно упрощает анализ работы де-

текторов и спектрометров на основе данных переходов.

1. Впервые для переходов из ВТСП экспериментально продемонстрированы полная корреляция флуктуации критического тока SI_C и нормального сопротивления SR„, а также равенство их нормированных спектральных плотностей. Сделан вывод о том, что механизмом переноса сверхтока и тока квазичастиц в БП с наклонными осями [001] является прямое туннелирование через одни и те же места барьера.

2. Впервые экспериментально исследовано детектирование электромагнитного излучения YBa₂Cu30₇-x БП с наклонными осями [001]. На частоте 0,7 ТГц в частотно-селективном режиме достигнуты значения вольт-ваттной чувствительности, эквивалентной шумовой мощности NEP и динамического диапазона по мощности, равные (7±2)-10⁴ В/Вт, (2,6±0,8)-10~¹³ Вт/Гц^1/2 и 47±3 дБ, соответственно. Показано, что достигнутые величины вольт-ваттной чувствительности согласуются с аналогичными значениями, следующими из РМ с учетом тепловых флуктуации. Практическая ценность работы:

1. Разработана технология низкотемпературного отжига УВагСизСЬ-х БП с наклонными осями [001] в атмосфере озона, активированного ультрафиолетовым излучением, которая позволяет повышать проводимость переходов, снижать НЧ шумы и улучшать согласии их ВАХ с РМ без ухудшения характерного напряжения.

2. Разработаны экспериментальные установки для исследования электрических, НЧ шумовых и детекторных характеристик тонкопленочных БП в интервале температур 7 + 90 К при напряжениях смещения на переходе до 20 мВ. Входные шумы напряжения криогенного усилителя установки для исследования шумовых характеристик составляли 2,3-10¹⁰ В/Гц¹², коэффициент нелинейных искажений был меньше 10~⁴ при напряжениях на переходе до 10 мВ, а частотная полоса усилителя равнялась 0-180 кГц. Экспериментальная установка для исследования детекторных характеристик позволяла исследовать характеристики переходов в частотном диапазоне 0,5-5 ТГц и в диапазоне мощностей, изменяемом на 45 дБ.

3. На основании численных расчетов предложен критерий верхнего предела динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора и продемонстрировано его соответствие полученным экспериментальным данным. Согласно этому критерию величина динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора на основе УВагСизСЬ-х БПН с сопротивлением 1 Ом может достигать 62 дБ в терагерцовой области частот, если шумы перехода обусловлены тепловыми флуктуациями.

4. Впервые продемонстрирована возможность использования БПН, охлажденных до азотных температур, для терагерцовой ГС. Показано, что с помощью исследовавшихся переходов возможно измерение полихроматических спектров излучения газового лазера в области частот до 3 ТГц за время 2 сек.

Достоверность результатов: Достоверность результатов не вызывает сомнений и подтверждена исследованиями на большом количестве УВагСизСЬ-х БП, теоретическими расчетами и результатами компьютерного моделирования. Часть результатов согласуется с другими исследованиями, выполненными в ИРЭ РАН без участия автора, а также с исследованиями проведенными другими научными группами.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на следующих международных конференциях: Applied Superconductivity Conference ASC 2002, Houston, USA; 6th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS 2003, Sorrento, Italy; Joint 29 Int. Conference on Infrared and Millimeter Wave and 12 Int. Conference on Terahertz electronics, Karlsruhe, Germany, 2004; 8th Int. Conference on Applied Electromagnetics and Communications, Zagreb, Croatia, 2005; 7th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS 2005, Vienna, Austria; Int. Workshop on Terahertz Technology, Osaka, Japan, 2005; Applied Superconductivity Conference ASC 2006, Seattle, USA; 2-я международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости", Звенигород, Россия, 2006.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Вклад автора в проведенную работу заключался в следующем:

5. разработал экспериментальные установки для исследования электрических, шумовых и детекторных характеристик тонкопленочных УВагСщО?^ БП.

6. разработал технологию низкотемпературного отжига Ва₂Сиз0₇.х БП в атмосфере озона, активированного ультрафиолетовым излучением.

7. провел представленные в работе теоретические оценки.

8. разработал методики измерения шумовых и детекторных характеристик тонкопленочных YBa₂Cu307-x бикристаллических джозефсоновских переходов.

9. провел измерения необходимых экспериментальных данных, на основе которых были получены результаты и сделаны выводы данной работы.

10. проанализировал и сделал выводы из полученных экспериментальных данных.

11. представлял и защищал результаты проведенной работы в процессе ее апробации на научных семинарах и конференциях, участвовал в написании статей. Структура и объем диссертации. Данная диссертация состоит из введения,

шести глав и списка цитированной литературы из 138 пунктов. Объем диссертации составляет 159 печатные страницы, в том числе 7 таблиц и 43 рисунка.

Избыточные низкочастотные шумы в бикристаллических переходах из ВТСП

Для спектрального анализа излучения терагерцового диапазона с произвольным спектром более предпочтителен джозефсоновский переход в частотно-селективном режиме, так как смеситель вниз с самонакачкой плохо принимает квазимонохроматические сигналы [27]. Было показано, что спектр внешнего сигнала может быть восстановлен из частотно-селективного отклика джозефсоновского перехода при помощи интегрального преобразования Гильберта [28]. Соответственно спектроскопическая методика восстановления спектра внешнего сигнала из частотно-селективного отклика джозефсоновского перехода получила название Гильберт-спектроскопия. К преимуществам Гильберт-спектрометра можно отнести отсутствие механических частей, высокое быстродействие детектора, малые размеры. Первые джозефсоновские переходы были сделаны из низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), что ограничивало область их применения миллиметровой областью длин волн. Однако открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с большими значениями энергетической щели и разработка технологии изготовления высококачественных джозефсоновских переходов из ВТСП позволило продвинуть рабочую область джозефсоновского частотно-селективного детектора в терагерцовый диапазон частот, а также перейти к более дешевому азотному охлаждению детектора или охлаждению при помощи криокулера, что значительно удешевляет стоимость обслуживания Гильберт-спектрометра. Показано, что спектральный диапазон Гильберт-спектрометра на основе бикристаллического джозефсоновского перехода из УВаяСизС -х составляет 5 ГГц - 5 ТГц, а спектральное разрешение порядка 1 - 3 ГГц [29]. На частоте 100 ГГц для частотно-селективного детектора на основе джозефсоновского перехода из УВагСиз07.х были получены значения мощности эквивалентной шуму 10" Вт/Гц1 и динамического диапазона по мощности 105 при температуре 80 К [30].

Развитие терагерцовых технология во многом сдерживалось отсутствием недорогих мощных источников терагерцового излучения. Фактически, до недавнего времени перечень доступных источников терагерцового излучения ограничивался маломощными ( 100 мкВт) генераторами на основе ламп обратной волны или эффекта Ганна в сочетании с умножителями на основе диодов Шоттки и относительно мощными (-100 мВт), но неперестраиваемыми газовыми лазерами, а также неперестраиваемыми генераторами, использующими принцип преобразования вниз [6]. Однако, в последнее время появились новые источники терагерцового излучения такие как лазер на свободных электронах [31], широкополосные импульсные источники на основе эффекта фотопроводимости или на эффекте накачки нелинейных электрооптических кристаллов фемтосекундными лазерными импульсами [19,20], квантовые каскадные лазеры [32], переходное излучение релятивистских электронных пучков [33]. Отличительной чертой новых терагерцовых источников является нестационарность происходящих в них физических процессов и, как следствие этого, импульсный характер их выходного излучения. Импульсный характер излучения накладывает определенные требования на характеристики детектора. В первую очередь это малое время отклика. Высокая частота повторения импульсов некоторых мощных источников широкополосного терагерцового излучения позволяет проводить быстрый спектральный анализ, в частности, изучать переходные процессы при взаимодействии терагерцового изучения с исследуемым объектом, но реализация этой возможности требует высокой скорости сканирования спектра и большого динамического диапазона детектора.

Ясно, что из-за наличия механических частей ни Фурье-спектроскопия, ни импульсная терагерцовая спектроскопия не могут использоваться для быстрого спектрального анализа. Гетеродинные спектрометры удовлетворяют всем требованиям быстрого спектроанализатора и к тому же имеют высокое спектральное разрешение, однако в настоящее время их спектральный диапазон ограничен субтерагерцовыми частотами (300 ГГц для коммерческих гетеродинных спектроанализаторах, использующих внешние смесители). Таким образом, учитывая приведенные выше характеристики спектроскопических методик, Гильберт-спектроскопия является на сегодняшний день пожалуй единственной спектрометрической методикой, способной осуществлять быстрый спектральный анализ как непрерывных, так и импульсных терагерцовых источников с произвольным спектром излучения.

Все вышесказанное определяет интерес к исследованию характеристик Гильберт-спектрометров на основе УВагСизСЬ-х джозефсоновских переходов в терагерцовой области частот. Известно, что минимум эквивалентной шумовой мощности частотно-селективного детектора лежит в области частот, соответствующих напряжению на джозефсоновском переходе равному 0,9 Vc, где Vc = ICR„ - величина характерного напряжения перехода, 1С и R„ - критический ток и сопротивление джозефсоновского перехода в нормальном состоянии, соответственно [30]. Таким образом, для частотно-селективного детектирования в терагерцовой области частот предпочтительны джозефсоновские переходы с высокими значениями характерного напряжения. Несмотря на высокие значения энергетической щели в высокотемпературных сверхпроводниках, до недавнего времени характерные напряжения джозефсоновских переходов из ВТСП не превышали 2 - 3 мВ при температуре 4,2 К. Максимальные значения характерного напряжения были достигнуты для бикристаллических переходов, получающихся напылением тонкой пленки из ВТСП с вертикальной осью [001] на бикристаллическую подложку. Недавно были получены бикристаллические переходы с взаимнонаклоненными осями [001], которые обладают рекордными значениями характерных напряжений до 8 мВ при температуре 4,2 К [34-36]. Благодаря высоким значениям характерного напряжения использование нового типа бикристаллических переходов в Гильберт-спектроскопии представляется перспективным как с точки зрения повышения чувствительности, так и для увеличения спектрального диапазона детектора. Однако в настоящее время известны лишь предварительные данные о средних характеристиках бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями [001]. Поэтому исследование параметров этого типа переходов и их детекторных характеристик представляет большой интерес. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию электрических и низкочастотных шумовых параметров УВа2Сиз07-х бикристаллических джозефсоновских переходов взаимнонаклоненными осями [001] и изучению их детекторных характеристик в терагерцовой области частот.

Блок-схема установки для исследования электрических и шумовых характеристик бикристаллических переходов из ВТСП

Из-за малой длины когерентности в высокотемпературных сверхпроводниках изготовление из них ДП способами, разработанными для низкотемпературных сверхпроводников, зачастую невозможно. На современном этапе развития технологии наиболее высокими характерными напряжениями, а также наилучшим соответствием с резистивной моделью обладают бикристаллические ДП. К их преимуществам также можно отнести простоту изготовления, планарную структуру, хорошую воспроизводимость электрических параметров, возможность изменения критической плотности тока перехода варьированием угла разориентирования бикристаллической подложки. Также немаловажную роль играет коммерческая доступность бикристаллических подложек хорошего качества.

Для роста эпитаксиальной пленки УВагСизС -х необходимо обеспечить хорошее согласование параметров решетки УВагСизС .х и подложки. Среди всех материалов, используемых для изготовления бикристаллических подложек, наименьшим рассогласованием параметров кристаллической решетки по отношению к УВагСизОг-х обладает NdGaC . Немаловажным преимуществом NdGaCh является относительно небольшая величина его диэлектрической проницаемости. Это делает предпочтительным применение бикристаллических ДП на основе бикристаллических подложек из NdGaC в высокочастотных приложениях, в частности в Гильберт-спектроскопии.

Все вышеперечисленные факты обусловили выбор бикристаллических ДП из УВагСизСЬ-х на подложках из NdGaCh в качестве объекта исследования.

ДП из ВТСП на основе бикристаллических подложек были изобретены в исследовательском центре ЮМ [44,45]. Их условно можно разделить на три основных типа, каждый из которых получается вращением частей бикристаллической положки относительно какой-либо выделенной оси. Так бикристаллические переходы (БП), полученные в результате взаимного вращения двух монокристаллических частей бикристаллической подложки относительно кристаллографической оси [001] получили в западной литературе обозначение [001]ilt переходы, относительно оси [100] - [100]ilt переходы, а относительно оси [010] - [100]wist переходы. Схематические изображения таких переходов показаны на рис. 2. Также БП можно разделить на симметричные и несимметричные. Симметричные БП изготавливаются на бикристаллических подложках, монокристаллические части которых повернуты относительно друг друга в противоположных направлениях на одинаковые углы. На данный момент самые большие значения характерных напряжений получены именно для случая симметричных БП. В российской научной литературе [001]ilt переходы получили название бикристаллические переходы с вертикальными осями [001], а [100]ilt переходы - бикристаллические ДП с наклонными осями [001].

Наиболее распространенным и изученным классом бикристаллических переходов являются бикристаллические переходы с вертикальными осями [001]. К их достоинствам следует отнести простоту в изготовлении, высокие значения критических токов берегов, что обусловило появление большого количества публикаций, посвященных данному типу переходов. Для бикристаллической границы переходов с вертикальными осями [001] характерны такие явления как перколяционный характер распределения тока по длине перехода и фасетирование границы. Перколяция и фасетирование являются следствием островкового роста тонких с-ориентированных пленок из УВагСизОу-х- Явление перколяции тока выражается в существовании каналов преимущественного токопереноса вдоль бикристаллической границы с характерной длиной распределения 1С [46-48]. Для применявшихся в данной работе переходов с вертикальными осями [001] величина характерного распределения 1С составляет величину 2-5 мкм. Явление фасетирования выражается в отклонении реальной межзеренной границы БП от положения границы в бикристаллической подложке [49-50]. При этом угол между граничными зернами эпитаксиальной пленки может отличаться от угла заданного бикристаллической подложкой, что приводит к значительному разбросу электрических параметров БП. Все это не позволяет рассматривать бикристаллическую границу переходов с вертикальными осями [001] как пространственно однородную.

В последнее время, в связи с развитием соответствующей технологии, растущее внимание привлекают к себе бикристаллические переходы с наклонными осями [001] [34-36,51-53,54]. К их преимуществам можно отнести более высокие (в разы) значения характерных напряжений (относительно бикристаллические переходов с вертикальными осями [001]), пониженное фасетирование бикристаллического шва, отсутствие возможного влияния пространственной анизотропии параметра порядка на значения критического тока перехода. Для одинаковых углов разориентирования монокристаллических частей бикристаллических подложек, при возросшей в среднем в десять раз плотности критического тока, наблюдалось уменьшение удельного сопротивления в среднем в три раза [36]. К недостатками бикристаллические переходов с наклонными осями [001] можно отнести меньшие (относительно бикристаллические переходов с вертикальными осями [001]) значения критического тока берегов и необходимость изготавливать более узкие БП из-за малых величин Xj.

На данный момент времени не существует общепризнанной модели барьера в бикристаллических ДП из УВагСизСЬ-х, которая бы объясняла все многообразие явлений наблюдающихся в данных переходах. Однако для объяснения частных зависимостей предложено несколько моделей структуры барьера в бикристаллических ДП из УВа2Сиз07-х. Рассмотрим наиболее известные из них.

При изучении малоугольных межзеренных границ в тонких пленках из ВТСП было замечено, что разориентация зерен приводит к появлению периодически расположенных дислокаций, которые при увеличении угла разориентации сливаются. Схематический рисунок такого барьера показан на рис. За. Толщина такого непрерывного слоя дислокаций линейно растет с увеличением угла разориентации. Согласно этим экспериментальным данным было высказано предположение, что барьер в бикристаллических переходах может состоять из непрерывного слоя дислокаций, что может объяснить экспоненциальную зависимость плотности критического тока от угла разориентирования [55-56].

Основные отклонения ВАХ бикристаллических переходов от резистивной модели

Для исследования электрических и шумовых характеристик бикристаллических переходов была разработана экспериментальная установка, которая позволяла измерять вольт-амперные характеристики и частотную зависимость спектральной плотности мощности низкочастотных флуктуации напряжения БП при различных токах смещения в широком диапазоне температур.

Для задания рабочей точки ДП обычно используются два метода: метод задания тока [104] и метод задания напряжения [104,105]. Каждый из этих методов имеет свои преимущества, но с точки зрения наиболее точного измерения шумовых характеристик предпочтителен метод задания тока, так как частотная полоса схемы задания напряжения зависит от дифференциального сопротивления ДП, которое может изменяться в весьма широких пределах. Нестабильность частотной полосы схемы задания напряжения может привести к неправильным измерениям спектральной плотности мощности низкочастотных флуктуации напряжения, что существенно сужает диапазон сопротивлений ДП, которые могут быть использованы при исследовании шумовых характеристик ДП.

Согласно формуле (16), для правильной оценки шумовых характеристик экспериментальная установка должна обеспечивать задание тока через БП, измерение дифференциального сопротивления, напряжения на БП и спектральной плотности мощности низкочастотных флуктуации напряжения на БП. Для поддержания температурной рабочей точки экспериментальная установка должна допускать точное задание температуры в диапазоне температур ниже критической температуры БП.

Блок-схема экспериментальной установки по изучению электрических и шумовых характеристик бикристаллических переходов представлены на рис. 4. Экспериментальная установка состоит из БП, аналоговой электроники, обеспечивающей режим задания тока на БП и позволяющей согласовать электрические параметры перехода с параметрами схемы сбора и обработки данных, системы сбора и хранения данных и криогенной части. Задачей криогенной части является задание и поддержание температуры БП с заданной точностью. Криогенная часть состоит из гелиевого криостата HLD-5, насоса для откачки паров жидкого азота и температурного контроллера Lakeshore 331 [106]. Температура БП, помещенного внутрь криостата, могла варьироваться в диапазоне 7 + 400 К при помощи теплового ключа и резистивного нагревателя. От воздействия теплового излучения экрана, находящегося при температуре кипения жидкого азота, БП был защищен позолоченным экраном из обескислороженной меди. Точность удержания температуры была лучше 0,01 К.

Система сбора данных и хранения данных состоит из синхронного усилителя PAR 7265 [107] и спектроанализатора SR760 [108], работающих под управлением персонального компьютера. Поскольку эталоном спектроанализаторов в нижней области частот являются спектроанализаторы фирмы HP, была проведена работа по исследованию характеристик SR760. Для этого были сравнены спектры белого шума и шума типа 1/f, измеренные при помощи SR 760 и Agilent 35670А. Сравнение показало их полную идентичность. К преимуществам спектроанализаторов фирмы HP можно отнести то, что все известные нам работы по измерению шума типа 1/fв ДП из ВТСП были проведены при помощи приборов фирмы HP, поэтому измерения, проведенные на этом приборе, вызывают большее доверие в научном мире. Спектроанализатор SR760 быстрее, чем Agilent 35670А справляется с измерением спектральной плотности мощности флуктуации в диапазоне частот свыше 12,8 кГц, так как снабжен 16-ти битной АЦП с частотой опроса 256 кГц. Контроль и сохранение данных обеспечивалось при помощи персонального компьютера с программой Acquire [109].

Измерение электрических и шумовых характеристик БП осуществлялось следующим образом: величина тока смещения через БП задавалась при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), интегрированного в синхронный усилитель PAR 7265, напряжение на выходе которого при помощи блока аналоговой электроники преобразовывалось в ток смещения через переход. Контроль тока через БП и напряжения на нем осуществлялся при помощи интегрированного в синхронный усилитель PAR 7265 аналого-цифрового преобразователя (АЦП), параметры которого согласовывались с параметрами БП также при помощи блока аналоговой электроники. Дифференциальное сопротивление измерялось методом синхронного детектирования на частоте 50 кГц. Для этого к постоянному току подмешивался малый переменный сигнал, источником которого служил генератор сигнала синусоидальной формы, интегрированный в PAR 7265. Для измерения спектральной плотности мощности низкочастотных флуктуации напряжения, при фиксированных значениях тока через БП, использовался спектроанализатор SR 760. Спектральный анализ осуществлялся в диапазоне частот 32 - - 25,6 кГц с разрешением 32 Гц. Все измерения производились под контролем персонального компьютера. Данные сохранялись на жестком диске ПК для их дальнейшего анализа.

Для защиты от внешних наводок БП был экранирован внутри криостата при помощи экранов из обескислороженной меди и пермаллоя. Сам криостат вместе с аналоговой электроникой был помещен в металлическую коробку. Входные и выходные сигналы фильтровались двухкаскадными проходными фильтрами. Данная конструкция позволила проводить исследования шумовых характеристик БП в условиях сильных радиопомех, вызванных работой близкорасположенных мобильных телефонов, базовых станций радиотелефонов, радиостанций.

Согласно требованиям эксперимента, блок аналоговой электроники должен задавать ток смещения через переход, обеспечивать контроль тока через БП, измерять напряжение и дифференциальное сопротивление в требуемом частотном диапазоне. Так же блок аналоговой электроники должен эффективно подавлять внешние наводки, такие как сигналы радиостанций, мобильных и радиотелефонов, цифровой электронный шум АЦП и ЦАП.

Для этого была разработана принципиальная схема блока аналоговой электроники, которая показана на рис. 5. Как показано на рис. 5, аналоговая электроника для измерения электрических и низкочастотных шумовых характеристик состоит из сумматора, преобразователя напряжения в ток, криогенного малошумящего усилителя, блока контроля тока через БП, блока контроля напряжения на БП и усилителя переменного напряжения.

Сумматор основан на схеме измерительного усилителя на основе двух операционных усилителей и служит для суммирования основного сигнала, задающего ток смещения на переходе, и малого переменного сигнала для синхронного детектирования дифференциального сопротивления БП. Коэффициенты усиления сигнала, поданного на вход 1 и вход 2, равны единице и 10" соответственно.

Методика отжига мостиков из УВа2Сиз07-х и бикристаллических переходов в атмосфере озона

В качестве источника излучения использовался газовый лазер дальнего ИК диапазона FIRL 100 [116]. Выходное излучение лазера излучение попадает на делитель пучка, который ответвляет 10% мощности излучения в систему контроля мощности FIRL 100.

Система контроля мощности состоит из параболического зеркала, которое фокусирует излучение на пироэлектрический детектор, модулятора излучения, блока контроля мощности ALS-1. Контроль мощности FIRL 100 осуществлялся по принципу обратной связи. Выходной сигнал пироэлектрического детектора сравнивался в блоке контроля мощности ALS-1 с опорным напряжением, и в случае отклонения мощности лазера от заданной величины она автоматически подстраивалась при помощи изменения длины резонатора лазера накачки. Для визуализации уровня мощности во время эксперимента использовался синхронный детектор PAR 5110 [107], сигнал с выхода которого был выведен на экран осциллографа TDS 220 [117]. Модулятор излучения в системе контроля мощности работал на частотах 150-К200 Гц.

После делителя пучка основная часть излучения подавалась на вход блока модуляции излучения. Блок модуляции излучения состоит из двух параболических, двух плоских зеркал и модулятора излучения. Слаборасходящийся пучок фокусировался при помощи первого параболического зеркала и затем после отражения от второго параболического зеркала преобразовывался к первоначальному параллельному виду. В фокусе параболических зеркал был помещен прерыватель, который осуществлял амплитудную модуляцию излучения. После прохождения системы из двух плоских зеркал пучок излучения возвращался на прежнее направление.

Далее излучение попадало в блок с тонкопленочными аттенюаторами. Для получения различных коэффициентов подавления мощности излучения лазера аттенюаторы вдвигались в пучок, как по отдельности, так и в разных комбинациях. Для устранения эффекта стоячих волн аттенюаторы были наклонены под разными углами по отношению к направлению распространения пучка. Аттенюаторы были откалиброваны при помощи оптикоакустического и пироэлектрического детекторов. После прохождения блока аттенюаторов излучение при помощи параболического зеркала фокусировалось на бикристаллическом переходе, находящемся в оптическом криостате. В качестве материала входного окна криостата использовался полиэтилен высокого давления. Охлаждаемое входное окно азотного экрана криостата было выполнено из кварца.

Для улучшения согласования БП с внешним излучением он снабжен планарной широкополосной логопериодической антенной. Согласование диаграммы направленности логопериодической антенны с диаграммой направленности внешнего сигнала осуществлялось при помощи гиперполусферической линзы из чистого кремния с высоким удельным сопротивлением. Точность юстировки гиперполусферической линзы относительно центра БП составляла 5 мкм.

Для данной экспериментальной установки была использована модификация оптического криостата HLD-5 с окном на дне. При этом криостат вместе с БП мог вращаться вокруг своей вертикальной оси, делая возможным исследование поляризационных особенностей, как излучения лазера, так и интегрированной планарной логопериодической антенны.

Все элементы квазиоптического тракта были помещены в отдельные секции, стенки которых были покрыты поглощающей микроволновое излучение краской. Апертуры входов и выходов в секции были уменьшены до размеров пучка. Эти меры предосторожности помогли устранить эффект стоячих волн и паразитные отражения излучения.

Известно, что электрические свойства бикристаллических БП из ВТСП в значительной мере влияет концентрация кислорода, как в области барьера, так и в берегах [89-90]. Для изменения концентрации кислорода в пленках УВагСизСЬ-х использовались различные методики: отжиг образцов в атмосфере молекулярного кислорода при температурах превышающих 300С [118], отжиг в атмосфере озона [119], высокотемпературный отжиг в атмосфере кислорода активированного ультрафиолетовым излучением [120,121], отжиг в тиглях, сделанных из поликристаллическогоУВагСизС -х с требуемой концентрацией кислорода [122], отжиг в плазме [123,124], ионная имплантация кислорода [125].

Рассмотрим более подробно вышеперечисленные методы. Наиболее традиционным методом является отжиг БП из ВТСП в атмосфере молекулярного кислорода. Но для достижения необходимой концентрации атомарного кислорода на поверхности УВагСиз07-х требуются температуры, превышающие 300С. При этом происходит диффузия кислорода не только внутрь бикристаллического шва, но также и внутрь пленки, что делает невозможным разделение эффектов от отжига перехода и берегов. Кроме того при высоких температурах загрязнения могут диффундировать с поверхности в глубь пленки, что приводит к ухудшению ее характеристик. Эти замечания также относится к методике отжига перехода в тиглях, сделанных из УВагСизСЬ-х- Ионная имплантация и отжиг в кислородной плазме могут обеспечить при низких температурах высокую концентрацию атомарного кислорода на поверхности УВагСизСЬ-х, но при этом атомы кислорода обладают высокими энергиями и способны повредить катионный порядок верхних слоев УВа2Сиз07-х.

Отжиг в атмосфере озона, активированного ультрафиолетовым излучением, не требует высоких температур и лишен недостатков отжига в плазме, т.к. атомарный кислород, полученный в результате этого процесса, не обладает высокой энергией. За генерацию атомарного кислорода в данном виде отжига ответственны три процесса [126]:

При разложении озона в двух первых реакциях образуется атомарный кислород в основном состоянии 0( Р). В случае ультрафиолетового разложения озона атомы кислорода находятся возбужденном состоянии O( D). Кроме того, квантовый выход при ультрафиолетовом разложении озона гораздо выше, чем при фотолизе озона в красной части спектра. Активность атомарного кислорода, полученного в таком процессе, сравнима с активностью кислородной плазмы [120].

В данной работе для насыщения БП из УВагСизС -х кислородом была выбрана методика отжига в атмосфере озона, активированного ультрафиолетовым излучением, так как она способна обеспечить высокую концентрацию атомарного кислорода на поверхности пленки УВагСизОт-х.при относительно низких температурах подложки, что позволяет избежать диффузии загрязнений в область бикристаллического шва.

Похожие диссертации на Детекторные характеристики YBa2Cu3O7-x бикристаллических джозефсоновских переходов с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот

Спектрально-аналитические характеристики разряда килогерцового диапазона частот в поперечном синфазном магнитном полеСуковатый, Алексей Григорьевич

Явления захвата магнитного потока в "односвязных" YBa2Cu3O7-x керамических высокотемпературных сверхпроводникахРостани, Халил Ростанович

Частотно-селективный детектор на основе YBa2 Cu3 O7-x бикристаллического джозефсоновского перехода для субтерагерцовой Гильберт-спектроскопии Широтов Вадим Викторович

Развитие методов микроволновой спектроскопии в терагерцовой области частотТретьяков, Михаил Юрьевич

Механизмы формирования спектрального отклика твердотельных диэлектриков в терагерцовой области частотКомандин, Геннадий Анатольевич

Свойства гетероструктур карбида кремния на кремнии и изоляторе в области сверхвысоких частотКурганская Любовь Викторовна

Дифракция когерентного оптического излучения на ультразвуке с непрерывным частотным спектром в области высоких частот и ее применениеМаньков Павел Леонидович

Численное моделирование токовых и параметрических неустойчивостей плазмы в области ионных циклотронных и нижнегибридных частотОльшанский, Валентин Васильевич

Диэлектрические характеристики пресного природного льда на сверхвысоких частотахКрылов, Сергей Дмитриевич

Исследование перестроечных характеристик непрерывного иттербиевого волоконного лазера с внутрирезонаторным удвоением частоты в кристалле КТРАкулов, Владимир Александрович