Детектирование и спектроскопия электромагнитного излучения джозефсоновскими переходами из высокотемпературных сверхпроводников

• Автор: Дивин, Юрий Яковлевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 164 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Джозефсоновские методы детектирования, и спектроскопии
1.1 Нестационарный эффект Джозефсона
1*.2‘ Адмиттансная джозефсоновскаяспектроскопия
1.3 Квадратичное детектирование шгильберт-спектроскопия
1.4; Перспективные применения джозефсоновских методов
детектирования и,спектроскопии
1.5 Постановка задачи?
2’ Джозефсоновское детектирование и гильберт спектроскопия с
переходами,из низкотемпературных сверхпроводников
3 Обоснование использования ВТСП джозефсоновских переходов 22" для детекторования и спектроскопии
3.1 ВТСП как базовые материалы для джозефсоновских переходов
3.2' Виды и выбор тонкопленочных ВТСП переходов
3.3 Выводы
4 Экспериментальные методики и установки,
4.1 Приготовление бикристаллических ¥Ва2Си307.х переходов -
4.2 Структурные исследования ¥Ва2Си307.х пленок и переходов
4.3 Исследования пространственной электрической
неоднородности
4.4 Интеграция переходов в криостаты и криоохладители
4.5 Выводьл
5 Электрические и структурные характеристики ¥Ва2Си307_х 48 пленок и бикристаллических переходов
5.1 Эпитаксиальные ¥Ва2Си307.х пленки
5.2 Переходы.изс-ориентированных пленок
5.3 Переходы из пленок с взаимнонаклоненными* осями с

5.4 Влияние низкотемпературного отжига в кислороде на ВАХ и 72 низкочастотные флуктуации в переходах
5.5 Выводы
6 Квадратичное детектирование электромагнитного излучения 85 ВТСП переходами
6.1 Введение
6.2 Согласование переходов с антеннами
6.3 Нестационарный эффект Джозефсона в бикристаллических
ВТСП переходах
6.4 Инструментальная функция и форма линии джозефсоновской
генерации
6.5 Динамический диапазон по мощности
6.6 Классическое детектирование
6.7 Выводы
7 Гильберт-спектроскопия на основе ВТСП переходов
7.1 Макеты гильберт-спектрометров на основе ВТСП переходов
7.2 Спектральный анализ полихроматических источников
терагерцового излучения
7.3 Спектральный анализ переходного излучения
7.4 Гильберт-спектроскопия с использованием ртутной лампы
7.5 Идентификация жидкостей с помощью
гильберт-спектроскопии
7.6 Выводы
Заключение
Список опубликованных работ
Список литературы
Благодарности

Введение
Сверхпроводниковая электроника начала бурно развиваться» после открытия в начале 60-х годов« прошлого века эффектов квазичастичного> и джозефсоновского туннелирования к 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 создания1 новых перспективных электронных устройств. Туннелирование квазичастиц в СИС переходах из низкотемпературных сверхпроводников (N6; N61^) 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 применяется 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].
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 ТРц и являющийся
промежуточным« между СВЧ и инфракрасной областями спектра привлекает все
большее внимание исследователей, специализирующихся в физике твердого

были получены лазерным распылением. Для разориентации 2x18.4° были получены небольшие величины характерных напряжений около 0,4 мВ при температуре 10 К. Тем не менее, на таких переходах на частоте 78 ГГц удалось показать возможность достижения мощности (NEP), эквивалентной шуму, около КГ14 Вт/Гц1'2 [А26], [А29]. Улучшения параметров переходов удалось достигнуть после перехода на бикристаллические подложки с другой базовой плоскостью (110) NdGa03 и существенного улучшения технологии нанесения.
Бикристаллические подложки из (110) NdGa03, начиная с 1994 года, приготавливались-в ИРЭ РАН в лаборатории профессора И.М. Котелянского и использовались автором данной работы для приготовления УВа2Сиз07_х переходов. Описание приготовления бикристаллических подложек на основе (110) NdGa03 приведено в работе [А60]. Кроме высокого качества поверхности подложек, достигавшегося химикомеханической, полировкой, было необходимо достигуть также низкой плотности и малых размеров газовых включений в области бикристаллической границы. Наличие таких включений нарушает плоскостность подложки и при напылении в этих областях образуется пленка с пониженными сверхпроводящими свойствами, что существенно сказывается на качестве переходов. У лучших образцов использовавшихся NdGa03 подложек с разориентацией 2x14° плотность субмикронных включений составляла порядка единиц на 100 мкм длины бикристаллической границы.
Успехи в приготовлении ВТСП тонкопленочных джозефсоновских
переходов для данной работы существенно зависели от общего прогресса
технологии приготовления ВТСП пленок, что само по себе являлось отдельной
прикладной задачей и разрабатывалось отдельными технологическими
группами. В этой связи, автор в начале данной работы пользовался ВТСП
тонкими пленками и тонкопленочными структурами, которые
приготавливались в ИРЭ РАН В. Б. Кравченко, И. М. Котелянским, Р. Н.
Шефталем и С. А. Зыбцевым [ А9] - [А 15], [А18], [А20], [А29], а затем
тонкопленочными структурами, изготавливавшимися в Исследовательском
центре фирмы ИБМ (США) группой Р. Chaudhari [А21], [А24], в