CC BY
26
ФИЗИКА
Вестник Омского ■университета, 2000. N.1. С.30-32.
(с) Омский государственный университет, 2000
УДК 530.145+539.184.2
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПЛЕНОЧНЫЙ DG-СКВИД: ИЗМЕРЕНИЕ АСИММЕТРИИ
И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Е.А. Канев, А.Б. Муравьев, К.К. Югай, К.Н. Югай|, Г.М. Серопян,
С.А. Сычев!
| Омский государственный университет,, кафедра общей физики, 644077 Омск, пр. Мира, 55-А 1
J Институт сенсорной микроэлектроники СО РАН, 644 077 Омск, пр. Мира, 55 -А
Получена 12 марта 1999 г. High temperature superconducting film SQUlDs arc investigated. An asymmetry and sensitivity of these SQUlDs have been measured.
Сверхпроводящий квантовый интерферометр - сквид (SQUID) - представляет собой уникальное устройство, с помощью которого возможно измерение сверхслабых магнитных полей. Он позволяет измерять доли кванта магнитного потока. В настоящее время сквид дает предельно высокую чувствительность измерения магнитных полей. С открытием в 1986 г. Беднорзом и Мюллером высокотемпературных сверхпроводников HI < Ii []] проблема создания сквидов приобрела необычайную остроту. Появилась перспектива широкого использования этого уникального устройства в различных областях: медицине, геологии, нефтехимии, экологии и т.д. Первоначальная идея создания сквидов на основе керамики, т.е. объемных сквидов (см.. например, [2]), оказалась несостоятельной из-за огромных сложностей изготовления (каждый сквид обладал уникальным свойством из-за невозможности использовать, например, технологии, широко известные в микроэлектронике, и изготавливался вручную) и быстрого разрушения слабой связи в сквиде после 5 10 термоциклов. Стало ясно, что проблема может быть решена только на пути создания пленочных сквидов (см., например, [3-9]). Однако ВТСП пленки, выращиваемые преимущественно методом лазерной абляции, обладают широким спектром свойств, не все из которых оказываются пригодными при изготовлении сквидов. Например, высокие значения плотности критического тока Jc порядка 106Л/с.м2 соответствуют высоким значениям критического тока сквидов,
1 e-mail: yugay@phys.omsu.omskreg.ru
что может существенно снизить их чувствительность. Пленки с низкими значениями ,1С порядка И)3 — 104А/сгп2 обладают низкой устойчивостью к деградации [10] и поэтому оказываются мало пригодными для изготовления сквидов. В настоящей работе представлены результаты исследований по созданию ВТСП пленочных с!с-сквидов с высокой чувствительностью.
1. Сквиды изготавливались нами с помощью фотолитографической технологии с использованием метода сухого травления ВТСП пленок УВа2Сиз07-$ (УВСО) [11]. Этот метод позволяет получать дорожки шириной 3 - 4 мкм. Толщина используемых пленок составляет около 100 нм. На пути создания сквидов нам пришлось решить несколько проблем. Прежде всего, проблему подбора параметров ВТСП пленок УВСО, которые отвечали бы следующим условиям: 1) поверхность пленки и однородность напыления должны удовлетворять требованиям фотолитографического метода; 2) пленки не должны деградировать при термоциклировании в интервале температур 77 - 300 К при нормальных уело виях; 3) величина ]с должна быть такой, чтобы полный критический ток с!с-сквида не превышал величины порядка 50 мкА. Первое условие касается в основном параметров напыления пленок: плотность мощности импульсного лазерного излучения должна быть больше некоторого граничного значения, при котором реализуется кластерный механизм отрыва частиц от поверхности мишени [12-13]. Это условие в наших экспериментах всегда обеспечивалось. Второе условие выполняется только для так называемых
Высокотемпературный сверхпроводящий пленочный йс-сквид: измерение асимметрии и чувствительности 31
Таблица I
| в, "С/с ОД 0,2 0,5 1,0 1,2 1,6 2,6 50,0
| .¿с(77К),Л/ст2 5 • 106-2■ 10' 5 • 10в-2 ■10' 5 • 10ь-2 • ТО' 5 ■ 10ь-2 ■10' 8 • 10ь-5 • 10(> ~ 10'' -Ло1" ~ 10;!
Таблица 2
N образца 1с, мкА А1с, мкА Г, мкВ/Фо а 5, Ф0/УГЧ
Образец 1 21 10 1.5 0.33 0.47 5.9- 10"6
Образец 2 50 32 2.0 0.44 0.64 4.5 - 10~6
Образец 3 160 22 0.35 0.08 0.14 2.45 • К)-5
Ы^Ь-пленок, у которых Л ~ 106Л/см2. Однако с1<:-сквиды, изготовленные на пленках с такими значениями Зс , дают значения полного критического тока существенно большие, чем это необходимо с точки зрения достижения высокой чувствительности. Таким образом, второе и третье условия находятся в противоречии друг к другу.
Для решения этой проблемы нами предложено использовать для изготовления сквидов так называемые, "мезоплепки". Основное отличие в параметрах изготовления этих пленок от обычных заключается в том, что после окончания процесса напыления их подвергают очень быстрой закалке. Действие закалки приводит к тому, что ,/с падает со значений 106Л/см2 до значений порядка 104Л/см2, обладая при этом достаточно высокой устойчивостью к деградации. В табл. 1 приведены результаты зависимости от скорости закалки 0. Мезопленки обладают необычной температурной зависимостью [14]. На рис. 1 представлены температурные зависимости плотности критического тока обычной пленки и мезопленки. Такое необычное поведение ме-зопленок обусловлено, как мы полагаем, образованием в пленке доменов напряжений вследствие быстрого охлаждения, в результате которого релаксация механических напряжений не успевает произойти. Границы между доменами напряжений существенно подавляют критический ток и представляют собой джозефсоновские переходы неизвестного ранее типа.
В отличие от с1с-сквида, изготовленного нами ранее [11, 15], новая геометрия с1с-сквида содержит концентратор потока. Ширина мостиков составляет 3 мкм, края мостиков скруглены, что важно с точки зрения и физики протекания тока через них, и большей технологичности изготовления сквидов с наименьшей асимметрией между мостиками. Роль асимметрии с!с-сквидов очень важна [16], причем полностью исключить ее при изготовлении не удается.
В табл. 2 представлены измеренные экспери-
:ду
дУ
2Д V Фо
ментально параметр Г =
- модуляция потенциала с.квида на ВПХ), параметр асимметрии а и чувствительность сквида Я. Параметр Г непосредственно связан с чув-
ствительностью сквида 5: 3
1+2\> —г—7Ш'
где iь — , 1ь ~ ток смещения, Ко = Н-
дифференциальное сопротивление. Сопротивление Я определяется из ВАХ сквида.
40 60
т, к
100
Рис. 1. Температурные зависимости кленки с ^о(77А') = 106А/см2 (а) и "мезопленки" с ^(77/\) 104А/см2 (б)
а)
В
ДУ
А С Фе
Рис. 2. а) вольт-потоковая характеристика сквида; б) схема с1с-сквида и направления токов
Параметр Г измеряется следующим образом. Если режим работы соответствует точке А на ВПХ (рис. 2, а), то на выходе сквида мы будем иметь сигнал частоты 2/, где / - частота падающего внешнего сигнала. В точке В амплитуда вы ходного сигнала становится равной нулю. Найдя таким образом точки А и В, мы определяем ДУ . Расстояние АС равно Фо/2, т.е. размах напряжения ДУ точно соответствует половине кван та потока.
В табл. 2 представлены значения чувствительности сквидов Л' для трех образцов. Как видно, значения 5 весьма высоки и меньше соответствующих значений для низкотемпературных сквидов в 3-1 раза для лучи/их образцов, что является, очевидно, предельным для ВТСП сквидов.
Измерение а проводится по следующей методике. На рис. 2, б изображены контур квантования и два плеча сквида. Понизив до нуля значение тока смещения /ь , катушкой модуляции организуем на сквиде переменный кольцевой ток /к частоты ЮОкГц, промодулированный слабым Н Ч сигналом 10Гц). Электронное устройство сквида демодулирует ВЧ. сигнал, и на выходе остается слабый НЧ сигнал. Допустим, при асимметрии 1С\ < 1С2. Если /к < Ьл > на сквиде имеется нулевое напряжение. При достижении кольцевым током значения 1К = 1С\ в первом плече возникнет сопротивление и на сквиде появится переменное 114 напряжение. Зафиксировав это значение 1К , начнем увеличивать от нуля ток смещения. Если 1ь + 1К < 1С2, то весь ток смещения будет шунтирован вторым плечом, находящимся в сверхпроводящем состоянии. Напряжение на сквиде начнет увеличиваться после выполнения условия Iь + 1К > ¡с.2 ■ При условии равенства имеем 4 = А1С = 1с-2 - /с1. Тогда коэффициент определяется по формуле а ~ , где 1С ~ 1сЛ -\-]с2 , а 1С смтределяется стандартным четырехзондовым методом.
Работа поддержана грантом "Университеты России - фундаментальные исследования", N 990032
[1] I Jednorz J.G., Miller K.A. Possible high-T .superconductivity in the Ba-La-Cu-0 system // Zs. fur Physik B. 1986. V.64. №2. P.189-195.
[2] Vasiliev B.V. and Uchaikin S.V. On characteristic voltage of the hjgh-T(: superconductor // Physica C. 1991. V. 185-189. P.2543-2544,
[3] Enpuku K., Shimomura Y., and Kisu T. Effect of thermal noise on the characteristics of a high-T,: superconducting quantum interference device //J. Appl. Phys. 1993. V.73. №11. P. 7929-7.934.
[4] Enpuku K., Tokita G., and Maruo T. Inductance dependence of noise properties of a high-Tc dc superconducting quantum interference device // J. Appi. Phys. 1994. V.76. №12. P.8180-8185.
[5] Koren G., Polturak E., Ahoioni E., and Cohen D. Characteristics of all Y Ba2Cu3Oj edge junctions operating above 80 K // Appl. Phys. Lett. 1991. V.59. №21. P.2745-2747.
[6] Yamashita T., Era M., Noge S., Irie A., Yamane H., llirai T., Kurosawa II., and Matsui T. Josephson Current m Microbridges of YBa^CiiiOi-i Thin
Films Prepared by CVD 11 Jap. .1. Appl. Phys. 1990. V.29. №1. P.74-78.
[7] Eidelloth W., Oh В., Roberta///! R.P., Gallagher W.J., Koch R.H. YBa2Cu307~* thin film gradiometers: Fabrication and performance // Appl. Phys. Lett. 1991. V.59. N<>26. P.3473-3475.
[8] Khare N. and Chaudhari P. Operation of bicristal junction high-7с direct curreiit-SQUID in a portable microcooler // Appl. Phys. Lett. 1994. V.65. №18. P.2353-2355.
[9] Kawasaki M., Chaudhari P., and Gupta A. 1/f Noise in YBa2Cu3 Or-i Superconducting Bicrystal Grain-Boundary Junctions 11 Phys. Rev. Lett. 1992. V.68. №7. P. 1065-1068.
[10] Yugay K.N., Seropjan G.M., Skutin A.A., Yugay K.K. Superconducting properties of YBaCuO thin films at thermocycling // Low Temp. Phys. 1997. V.23. №4. P.281-284.
[11] Лежнин И.В., Муравьев А.Б., Скугин А.А., Югай К.К., Югай К.Н., Серопян Г.М., Сычев С.А. Высокотемпературный сверхпроводящий YBaCuO пленочный de-сквид // Вестник ОмГУ. 1997. №1. С.41-43.
[12] Югай К.Н., Скутин А.А., Тихомиров В.В., Сычев С.А. и др. Взаимодействие импульсного лазерного излучения с поверхностью Мишели YBaCuO: время запаздывания // СФХТ. 1.994. Т.7. №6. С.1026-1032.
[13] Югай К.К., Югай К.Н., Скутин А.А., Серопян Г.М. О механизме отрыва частиц от поверхности BTCII мишени при поглощении лазерных импульсов // Изв.вузов. Физика. 1997. №6. С.73-77.
[14] Демин А.В., Канев Е.А., Курнявко О.Л., Мура вьев А.В., Скутин А.А., Югай К.К., Югай К.Н.. Серопян Г.М., Сычев С.А. Температурная зависимость критического тока ВТСП пленок, выращенных методом лазерной абляции // Вестник ОмГУ. 1998. №3. С.37-39ч
[15] Патент РФ на изобретение №2133525. Авт.: К.Н.Югай, А.А.Скутин, А.Б.Муравье», С.А.Сычев, К.К.Югай, И.В.Лежнин. Сверхпроводящий квантовый интерферометрический датчик и способ его изготовления. 'Заявка №97117338/25 (018510). Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений 20.07.99.
[16] Блинов Н.В., Широков И.В., Югай К.Н. Шумящий асимметричный dc-еквид // Вестник ОмГУ. 1998. №4. С.23-25.
[17] Лихарев К.К. Введение в динамику джозефео-новских переходов. М.: Наука, 1985.
[18] Кларк Дж. Сверхпроводящие квантовые интерференционные приборы для низкочастотных измерений // "Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферометры и их применения" / Под ред. Б.Б.Шварца и С.Фонера. М.: Мир, 1980.
[19] Вагоне A., Paterno G. Physics and Applications of the Josephson Effect. New-York: John Wiley and Sons, 1982.
