трусики женские украина

На головну

 Магнітометри - Металургія

Московський державний інститут електроніки і математики

(Технічний університет)

Курсова робота

для подання на кафедру «Матеріалознавство»

на тему:

Магнітометри на СКВИДах.

Виконав: Подчуфаров А.І.

Викладач: Петров В.С.

Зараховано: 04.06.96

ФІТ ЕП-41

Москва 1996

Зміст:

1. Надпровідність. Основні параметри надпровідників ..... 3

2. Ефект Джозефсона .............................................. ........................... 4

3. Магнитометр....................................................................................5

4. Надпровідний матеріал - підключення Nb3Sn ........................... 8

5. Отримання джозефсонівських переходів ......................................... 9

6. Список літератури .............................................. ............................ 13

1. Надпровідність. Основні параметри надпровідників.

Явище надпровідності полягає в тому, що при деякій температурі, близькій до абсолютного нуля, Електроопір в деяких матеріалах зникає. Ця температура називається критичною температурою переходу в надпровідний стан.

Надпровідність виявлена ??більш ніж у 20 металів і великої кількості з'єднань і сплавів (Тк ? 23К), а також у керамік (Тк> 77,4К - високотемпературні надпровідники.)

Надпровідність матеріалів з Тк ? 23К пояснюється наявністю в речовині пар електронів, що володіють енергією Фермі, протилежними спинами і імпульсами (пари Купера), які утворюються завдяки взаємодії електронів з коливаннями іонів решітки - фононами. Всі пари знаходяться, з точки зору квантової механіки, в одному стані (вони не підкоряються статистиці Фермі тому що мають цілочисельний спин) і узгоджені між собою за всіма фізичними параметрами, тобто утворюють єдиний надпровідний конденсат.

Надпровідність керамік, можливо, пояснюється взаємодією електронів з яким-небудь іншими квазічастинками.

По взаємодії з магнітним полем надпровідники діляться на дві основні групи: надпровідники I і II роду.

Надпровідники першого роду при приміщенні їх у магнітне поле «виштовхують» останнім так, що індукція всередині надпровідників дорівнює нулю (ефект Мейсснера). Напряжонность магнітного поля, при якому руйнується надпровідність і поле проникає всередину провідника, називається критичним магнітним полем Нк. У надпровідників другого роду існує проміжок напруженості магнітного поля НК2> Н> Нк1, де індукція всередині надпровідників менше індукції провідника в нормальному стані. Нк1- нижнє критичне поле, Нк2- верхнє критичне поле. Н <Нк1- індукція в надпровідники другого роду дорівнює нулю, Н> Нк2- надпровідність порушується. Через ідеальні надпровідники другого роду можна пропускати струм силою: (критичний струм). Пояснюється це тим, що поле, створюване струмом, перевищить Нк1, вихрові нитки, що зароджуються на поверхні зразка, під дією сил Лоренца, рухаються всередину зразка з виділенням тепла, що призводить до втрати надпровідності.

Tk, Нк1, НК2, деяких металів і сполук:

 Речовина

 Т до К

 m 0 Н к1 Тл

 m 0 Н к2 Тл

 Pb 7.2 0.55

 Nb 9.2 0.13 0.27

 Te 7.8

 V 5.3

 Ta 4.4

 Sn 3.7

 V 3 Si 17.1 23.4

 Nb 3 Sn 18.2 24.5

 Nb 3 Al 18.9

 Nb 3 Ga 20.3 34.0

 Nb 3 Ge 23.0 37.0

 (Y 0.6 Ba 0.4) 2 CuO 4 96160 ± 20

 Y 1.2 Ba 0.3 CuO 4-8 102 18 при 77К

2. Ефект Джозефсона.

Якщо два надпровідника з'єднати один з одним «слабким» контактом, наприклад найтоншої смужкою з діелектрика, через нього піде тунельний надпровідний струм, тобто відбудеться тунелювання надпровідних куперовских пар. Завдяки цьому обидві системи надпровідників пов'язані між собою. Зв'язок цей дуже слабка, тому мала ймовірність тунелювання пар навіть через дуже тонкий шар ізолятора.

Наявність зв'язку призводить до того, що в слідстві процесу обміну парами стан обох систем змінюється в часі. При цьому інтенсивність і напрямок обміну визначається різницею фаз хвильових функцій між системами. Якщо різниця фаз j = j1- j2, тоді з квантової механіки слід. Енергії в точках по одну й іншу сторону бар'єру Е1і Е2могут відрізнятися тільки якщо між цими точками існує різниця потенціалів Us. У цьому випадку (1).

Якщо надпровідники пов'язані між собою з одного боку і розділені слабким контактом з іншого, то напруга на контакті можна викликати, міняючи магнітний потік усередині утворився контуру. При цьому. Враховуючи, що квант потокать потік Ф через контур може бути лише nФ0, де n = 0, ± 1, ± 2, ± 3, ... Джозефсон передбачив, що (2)

Де:

Is- струм через контакт

Ic- максимальний постійний джозефсонівських струм через контакт

j - різниця фаз.

З (1), (2) слід.

Оскільки на фазовий співвідношення між системами влеяет магнітне поле, то надпровідним струмом контура можна управляти магнітним полем. У більшості випадків використовується не один джозефсонівських контакт, а контур з декількох контактів, включених паралельно, так званий надпровідний квантовий інтерферометр Джозефсона (СКВІД). Величина магнітного поля, необхідного для керування струмом, залежить від площі контуру і може бать дуже мала. Тому СКВІДи застосовують там, де потрібна велика чутливість.

Відомі кілька типів джозефсоновских контактів, але найбільш поширені наступні:

ізолятор

»1нм надпровідники

тунельний перехід перехід типу «місток»

3. Магнітометр.

Магнітометр - прилад на основі джозевсоновскіх переходів, що застосовується для вимірювання магнітного поля і градієнта магнітного поля. У магнітометри використовуються СКВІДи 2х типів: на постійному струмі і змінному. Розглянемо магнітометр на СКВДах постійного струму.

I

A B U

переходи

джозефсоновские

Якщо до такого кільцю докласти поле, то воно буде наводити в кільці циркулює надпровідний струм. Він буде відніматися з постійного струму I в А і складатися в В. Тоді максимальний струм кільця залежить від магнітного потоку Ф і дорівнює: Ic- ток кільця, Ф0- квант потоку, Ф - захоплений потік. При етомR - опір переходу, l - індуктивність кільця. DU - досягає декількох мікровольт і може бути виміряна звичайними електронними приладами.

I Imax

nФ0

(N + 1/2) Ф0

U n

Малюнок ліворуч: ВАХ надпровідного кільця з 2-ма джозевсоновскімі переходами.

Малюнок справа: Залежність Imaxот зовнішнього потоку

n - число квантів потоку пронизують контур.

Технічна реалізація магнітометрів на Сквід на постійному струмі з 2-ма Тунельна переходами.

Кварцова трубка

Смужка з Pb

Платиновий електрод

Pb

Джозефсоновские

переходи

Платиновий електрод

Контур СКВИДа

утворений циліндричної

плівкою з Pb нанесеною на кварцовий циліндр

довжиною 18 мм із зовнішнім діаметром 8мм, а

внутрішнім 6мм.

Описана тут конструкція яв-

2 мм ляется датчиком включеним в електрич-

ческую схему, що забезпечує изме-

ширення та індикацію відгуку датчика

1.5мм на зміну зовнішнього магнітного

поля. Така система являє со-

600нм 600нм бій магнітометр.

20 нм

4. Надпровідний матеріал - підключення Nb3Sn.

З'єднання Nb3Sn має Тк = 18.2К і НК2 = 18.5 МА / m (m0Нк = 23Тл) при 4.2К. Завдяки таким параметрам можна отримати джозефсоновские переходи чутливі як до малих полях 10-17Тл, так і до зміни великих полів »1Тл. З'єднання має такі грати: атоми ніобію розташовані в місцях, зайнятих на малюнку і утворюють зі своїми найближчими сусідами три ланцюжки, перпендикулярні один - одному:

Nb

Sn

Атоми ніобію в цих ланцюжках пов'язані додатковими ковалентними зв'язками. Ланцюжки ніобію в кристалічній структурі, для отримання понад проводять властивостей не повинні бути порушені, що може статися при надлишку атомів олова або при недостатній мірі порядку в кристалічній решітці. Діаграма фазового рівноваги системи Nb-Sn наведена на малюнку:

toC

2500

a + ж 2000

2000

a Ж

1500 Nb3Sn3

a + Nb3Sn 910-920

1000

Nb3Sn 840-860

500 805-820 NbSn7232-234

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

З'єднання Nb3Sn крихко і виріб з нього не можуть бать отримані звичайним металургійним шляхом, тобто виплавкою з подальшою деформацією. Масивні вироби з цього з'єднання: циліндри, пластини і т.д. отримують, як правило, металокерамічним методом, тобто змішуючи у відповідних пропорціях порошки ніобію і олова, пресуючи вироби потрібної форми і нагріваючи їх до температури освіти хімічної сполуки Nb3Sn, зазвичай в інтервалі 960-1200O.

5. Отримання джозефсонівських переходів.

Джозефсоновские тунельні переходи являють собою дві тонкі надпровідні плівки розділені бар'єрним шаром діелектрика або напівпровідника. Розглянемо деякі з методів отримання переходів з діелектричним бар'єром. На ретельно очищену підкладку у вакуумі наноситься першим плівка надпровідного з'єднання товщиною в кілька тисяч ангстрем.

Нанесення першого плівки здійснюється шляхом катодного розпилення.

4

1

6

2 3 Травня

1. Катод

2. Розпилюючи газ

3. До вакуумному насосу

4. Тримач з підкладкою

5. Постійна напруга 4 кВ

6. ВЧ - генератор 3-300 МГц

Газовий розряд при низькому тиску можна порушити високочастотним електричним полем. Тоді в газовому проміжку, що містить аргон, виникає тліючий розряд. Утворилися при цьому позитивні іони, розганяються електричним полем, вдаряються об катод розпорошуючи сплав. Вилітають з катода атоми осідають на підкладці. У такій системі були досягнуті швидкості осадження до 1А / сек. При зсуві на катоді - мішені 500В.

Для високочастотного катодного розпилення Nb3Sn необхідний вакуум перед розпиленням 10-4Па, температура підкладки 900OС, чистота напускає аргону 99,999%, його тиск менше 1Па.

Для якості тунельного переходу велике значення має структура плівки. У напилених плівках зазвичай сильно спотворена кристалічна решітка, і в них, як правило з часом відбуваються структурні зміни: протягом дислокацій, деформація меж зерен, що може значно погіршити властивості тунельного переходу (наприклад виникнути закоротки).

Одним із способів усунення цих небажаних явищ полягає у внесенні в плівку домішок стабілізуючих їх структуру. Так плівки утворюють тунельний перехід виходили послідовним напиленням In (49нм), Au (9нм), Nb3Sn (350Нм) для нижнього електрода і Nb3Sn (300нм), Au (5нм), Nb3Sn (200Нм) для верхнього електрода. Після цього плівки витримувалися при температурі 75оС протягом 2год., Що призводило до стабілізації властивостей переходу.

Наступним важливим етапом отримання тунельного переходу є утворення бар'єрного шару, як правило, це шар оксиду на поверхні першого плівки. Властивості тунельного переходу і його термін служби визначається насамперед якістю бар'єрного шару. Цей шар повинен бути щільним, тонким (»2нм), рівним, не мати пір і не мінятися з часом при температурному циклировании.

Найбільш вдалий метод приготування тунельних бар'єрів полягає в окисленні плівки в слабкому ВЧ розряді в атмосфері кисню. Підкладка з плівковим електродом кріпиться до катода розрядної камери. Спочатку поверхню плівки очищають від природного окислення шляхом ВЧ катодного розпилення в атмосфері аргону при тиску 0.5 Па протягом 1-5 хв. Відразу після цього аргон в камері замінюється киснем або аргонокіслородной сумішшю і запалюється розряд на частоті 13.56 МГц. За певний час на плівці, що знаходиться в розряді, утворився шар оксиду необхідної товщини. Для отримання тунельних бар'єрів товщиною 2-5нм необхідно підтримувати розряд потужністю 0.003-0,1 Вт / мм2в протягом 10-20 хв.

Застосовують тунельні переходи з бар'єром з напівпровідника. Як матеріал бар'єру використовується різні п / п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs та ін.

Основний метод нанесення п / п бар'єру - розпорошення. Однак в напиленням шарі п / п є багато отворів і порожнеч, наявність яких сприяє появі закороток в переході. Для усунення цього недоліку після напилення бар'єру перехід піддається окислення. В результаті закоротки дійсно не виникають, але властивості бар'єру при це погіршуються: зменшується максимальна щільність струму, величина ємності збільшується.

Найкращі тунельні переходи з напівпровідниковим бар'єром, виходять, коли бар'єр являє собою монокристал. Такі переходи реалізовані чи не створенням бар'єру на надпровідної плівці, а навпаки, нанесенням плівки на обидві сторони тонкої монокристаллической п / п мембрани з Si. Відомо, що швидкість травлення монокристалічного Si перпендикулярно площині (100) у 16 ??разів більше ніж у напрямку площині (111). У результаті цього в пластині Si, поверхня якого паралельна (100), при травленні невеликого, незахищеного фоторезистом ділянки, утворюються ямки. Бічні стінки ямки утворюють площини (111) під кутом 54.7Ок поверхні. Таким чином, розмір дна ямки w1, тобто розмір мембрани визначається співвідношенням, де w2- розмір відкритого незахищеного ділянки поверхні, t - глибина ямки.

Щоб отримати мембрану потрібної товщини, необхідно якимось чином автоматично зупинити травлення. Це досягається за допомогою легування бором зворотного боку кремнієвої підкладки на глибину рівну необхідної товщині мембрани. Швидкість травлення швидко падає, коли досягається шар Si з концентрацією бору, що дорівнює n = 4 ? 1019см-3, і повністю зупиняється при n = 7 ? 1019см-3. Таким чином були отримані мембрани товщиною 40-100 нм. Далі з двох боків наносяться надпровідні плівки, що утворюють перехід.

У разі послідовного напилювання: надпровідних плівка - бар'єр - надпровідних плівка - останню плівку можна нанести методом катодного розпилення.

Готові переходи захищають від впливу атмосфери шаром фоторезиста. Для отримання відтворюваних тунельних систем необхідно, щоб між операціями плівка не піддавалася впливу атмосфери тому адсорбція газів на поверхні плівок може викликати неконтрольоване зміна характеристик переходу.

Список літератури:

1. Г.Н. Кадикова «Сверхпроводящие матеріали» М. МІЕМ 1990

2. А.Ф. Волков, Н.В. Заваріцкий «Електронні пристрої на основі слабозв'язаних надпровідників» М. Радянське радіо 1982

3. Р. Беррі, П. Холл, М. Гарріс «Тонкоплівкова технологія» М. Енергія 1979

4. Т. Ван-Дузер Ч.У. Тернер «Фізичні основи надпровідникових пристроїв і ланцюгів» М. Радіо і зв'язок 1984

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка