Магнитометры

4. Сверхпроводящий материал – соединение Nb₃Sn.

Соединение Nb₃Sn имеет Т_к=18.2К и Н_к2=18.5 МА/m (m₀Н_к=23Тл) при 4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым полям 10^-17Тл, так и к изменению больших полей »1Тл. Соединение имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:

Nb

Sn

Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллической решетке. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке:

t^oC

2500

a+ж 2000

2000

a Ж

1500 Nb₃Sn₃

a+Nb₃Sn 910-920

1000

Nb₃Sn 840-860

500 805-820 NbSn₇ 232-234

Nb 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sn

Соединение Nb₃Sn хрупко и изделие из него не могут бать получены обычным металлургическим путем, т.е. выплавкой с последующей деформацией. Массивные изделия из этого соединения: цилиндры, пластины и т.д. получают, как правило, металлокерамическим методом, т.е. смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова, прессуя изделия нужной формы и нагревая их до температуры образования химического соединения Nb₃Sn, обычно в интервале 960-1200^O.

5. Получение джозефсоновских переходов.

Джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие сверхпроводящие пленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. Рассмотрим некоторые из методов получения переходов с диэлектрическим барьером. На тщательно очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверхпроводящего соединения толщиной в несколько тысяч ангстрем.

Нанесение первой пленки осуществляется путем катодного распыления.

4

1

6

2 3 5

1. Катод

2. Распыляющий газ

3. К вакуумному насосу

4. Держатель с подложкой

5. Постоянное напряжение 4 кВ

6. ВЧ – генератор 3-300 МГц

Газовый разряд при низком давлении можно возбудить высокочастотным электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, содержащим аргон, возникает тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы, разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распыляя сплав. Вылетающие с катода атомы осаждаются на подложке. В такой системе были достигнуты скорости осаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени 500В.

Для высокочастотного катодного распыления Nb₃Sn необходим вакуум перед распылением 10^-4Па, температура подложки 900^OС, чистота напускаемого аргона 99,999%, его давление менее 1Па.

Для качества туннельного перехода большое значение имеет структура пленки. В напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическая решетка, и в них, как правило со временем происходят структурные изменения: течение дислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшить свойства туннельного перехода (например возникнуть закоротки).

Одним из способов устранения этих нежелательных явлений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их структуру. Так пленки образующие туннельный переход получались последовательным напылением In (49нм), Au (9нм), Nb₃Sn (350нм) для нижнего электрода и Nb₃Sn (300нм), Au(5нм), Nb₃Sn(200нм) для верхнего электрода. После этого пленки выдерживались при температуре 75^ОС в течении 2ч., что приводило к стабилизации свойств перехода.

Следующим важным этапом получения туннельного перехода является образование барьерного слоя, как правило, это слой окисла на поверхности первой пленки. Свойства туннельного перехода и его срок службы определяется прежде всего качеством барьерного слоя. Этот слой должен быть плотным, тонким (»2нм), ровным, не иметь пор и не меняться со временем при температурном циклировании.

Наиболее удачный метод приготовления туннельных барьеров состоит в окислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода. Подложка с пленочным электродом крепится к катоду разрядной камеры. Сначала поверхность пленки очищают от естественного окисления путем ВЧ катодного распыления в атмосфере аргона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу после этого аргон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной смесью и зажигается разряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на пленке, находящейся в разряде, образовался слой окисла необходимой толщины. Для получения туннельных барьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать разряд мощностью 0.003-0,1 Вт/мм² в течении 10-20 мин.

Применяют туннельные переходы с барьером из полупроводника. В качестве материала барьера используется различные п/п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs и др.

Основной метод нанесения п/п барьера – распыление. Однако в напыленном слое п/п имеется много отверстий и пустот, наличие которых способствует появлению закороток в переходе. Для устранения этого недостатка после напыления барьера переход подвергается окислению. В результате закоротки действительно не возникают, но свойства барьера при это ухудшаются: уменьшается максимальная плотность тока, величина емкости увеличивается.

Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковым барьером, получаются, когда барьер представляет собой монокристалл. Такие переходы реализованы не созданием барьера на сверхпроводящей пленке, а наоборот, нанесением пленки на обе стороны тонкой монокристаллической п/п мембраны из Si. Известно, что скорость травления монокристаллического Si перпендикулярно плоскости (100) в 16 раз больше чем в направлении плоскости (111). В результате этого в пластине Si, поверхность которого параллельна (100), при травлении небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуются ямки. Боковые стенки ямки образуют плоскости (111) под углом 54.7^О к поверхности. Таким образом, размер дна ямки w₁, т.е. размер мембраны определяется соотношением , где w₂ – размер открытого незащищенного участка поверхности, t – глубина ямки.

Чтобы получить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либо образом автоматически остановить травление. Это достигается с помощью легирования бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равную необходимой толщине мембраны. Скорость травления быстро падает, когда достигается слой Si с концентрацией бора, равной n=4Ч10¹⁹ см^-3, и полностью останавливается при n=7Ч10¹⁹ см^-3 . Таким образом были получены мембраны толщиной 40-100 нм. Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие переход.

В случае последовательного напыления: сверхпроводящая пленка – барьер – сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанести методом катодного распыления.

Готовые переходы защищают от влияния атмосферы слоем фоторезиста. Для получения воспроизводимых туннельных систем необходимо, чтобы между операциями пленка не подвергалась воздействию атмосферы т.к. адсорбция газов на поверхности пленок может вызвать неконтролируемое изменение характеристик перехода.

Список литературы:

1. Г.Н. Кадыкова «Сверхпроводящие материалы» М. МИЭМ 1990

2. А.Ф. Волков, Н.В. Заварицкий «Электронные устройства на основе слабосвязных сверхпроводников» М. Советское радио 1982

3. Р. Берри, П. Холл, М. Гаррис «Тонкопленочная технология» М. Энергия 1979

4. Т. Ван-Дузер Ч.У. Тернер «Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей» М. Радио и связь 1984