（材料学专业论文）高温超导dcsquids及其涡流无损检测方法研究.pdf

摘要 摘要 本论文论述了直流超导量子干涉器( d c s q u m ) 的基本物理原理。根 据d c s q u l d 的等效电路理论，推导了描述d e s q u i d 特性的方程组。通 过将方程组中相关参数的归一化处理，提出了一种基于m a t l a b 工具软件对 对称性高温超导双晶结d c s q u i d 特性进行仿真研究的简便方法，仿真结 祟与理论分析结果一致，对实际设计和研制高温超导d c s q u i d 器件时， 各参量的确定提供了有力的依据。 基于双晶晶界j o s e p h s o n 结，设计了一种磁聚焦b 型方垫d c s q u i d ， s q u i d 中心方孔尺寸为3 0 “m x3 0 9 i n ，外围方垫尺寸为8 m m 8m i l l ，电感 约为4 7 p h 。采用脉冲激光沉积工艺，在s t o ( 1 0 0 ) 衬底基片上制备了纯c 取向、杂相很少的高质量高温超导y b c o 薄膜。采用标准掩膜光刻和刻蚀 工艺，将制备的y b c o 薄膜成形为d e s q u i d 器件。利用自行研制的一套 基于l a b v i e w 的计算机虚拟仪器数据采集测试系统，对d c s q u i d 特性进 行了测量。测试结果表明：所研制的垫圈型双晶结高温超导d c s q u i d ， 临界电流约为5 5 9 a ，i c r 值达到1 1 0 b t v 。调制频率为5 0 k h z ，磁通锁定模 式下工作的磁强计，在无超导屏蔽的条件下，白噪声区磁场分辨率达到 3 3 3 i t h z “。，磁通分辨率为1 4 5 u m o h z “2 。 对于在无屏蔽环境下普遍采用的高温超导d e s q u i d 一阶平面式磁场 梯度计进行了图形结构的优化设计。外围天线尺寸为9 m m 9m m 的一阶 平面式梯度计，梯度计基线长度( b ) 为6 m m ，中心s q u i d 环孔尺寸为4 p m x1 10 m ，线宽为5 9 m 时。b a 。f f 参数达o 7 m m 3 。在1 0 x1 0 m m 2 基片上制 备了这种高温超导d c s q u i d 平面式梯度计，并对其性能进行了测量，测 试结果表明：所研制的高温超导一阶平面式梯度计，白噪声区磁通分辨率 为15 9 ( i ) o h z “2 ，磁场梯度分辨率达到4 4 3f t e m h z 2 。 应用所研制的磁强计建立了一套高温超导d e s q u i d 无损检测系统。根 据涡流检测的原理，对多层铝板进行了无损检测实验研究，结果表明：高 温超导d c s q u i d 能够有效的应用于无损检测中，多层铝板内部十几m m 甚至几十m m 深度存在缺陷的情况下，可以明显地看到缺陷引起的附加信 号，灵敏度很商，扫描出的图像可以显示出缺陷的位置。但是，到目前为 止，由于还没有一个确定的数学模型能够定量地描述缺陷大小和附加信号 大小之间的关系，因此我们还不能确定附加信号宽度和缺陷大小在数值上 的对应关系。 关键词n i g , n 导；d e - s q u i d ：磁强计；平面式梯度计；涡流；无损检测 燕山大学工学博士学位论文 a bs t r a c t i n t h i st h e s i s ，w ed e s c r i b et h eb a s i cp h y s i c a lp r i n c i p l eo fd i r e c t c u r r e n t s u p e r c o n d u c t i n gq u a n t u md e v i c e ( d e s q u i d ) t h ee q u a t i o n sd e s c r i b i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so fd c s q u i da r ed e r i v e da c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tc i r c u i t t h e o r y o f d c s q u i d b yn o r m a l i z i n g t h er e l a t e d p a r a m e t e r s i nt h e s e e q u a t i o n s ，as i m p l es i m u l a t i n gw a y b a s e do nm a t l a bt o o ls o f t w a r ef o r s y m m e t r i c a lh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n g ( h i g h t c ) d c s q u i d w i t h b i c r y s t a lj u n c t i o n s i s p r o p o s e d t h es i m u l a t i n g r e s u l t sa r e v e r y c o n s i s t e n t w i t ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d p r o v i d e r e l i a b l eb a s i sf o r a s c e r t a i n i n g d c s q u i dp a r a m e t e r s w h e nw e p r a c t i c a l l yd e s i g n a n df a b r i c a t e h i g h - t c d c s q u i dd e v i c e s w ed e s i g naw a s h e rt y p eo ff l u x - f o c u s e dd c - s q u i db a s e do nb i c r y s t a l g r a i nb o u n d a r yj o s e p h s o nj u n c t i o n t h ec e n t r a ls q u a r e h o l ea n dt h eo u t e r s q u a r ew a s h e ro f t h es q u i da r e3 0 1 t m 3 0 1 l ma n d8 m mx 8 m m ，r e s p e c t i v e l y t h es q u i di n d u c t a n c ei se s t i m a t e da b o u t4 7 p h h i g hq u a l i t yh i g h t cy b c o t h i nf i l m sw i t h p u r e c a x i so r i e n t a t i o n g r o w t h a n df e w o u t g r o w t h s a r e f a b r i c a t e do ns t o ( 1 o o ) s u b s t r a t e sb yu s i n gp u l s e d l a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) t h ed c s q u i dd e v i c e sa r ep a t t e r n e dw i t ht h ef a b r i c a t e dy b c ot h i nf i l m sb y s t a n d a r dm a s kp h o t o l i t h o g r a p h ya n de t c h i n gm e t h o d s t h em e a s u r e m e n t so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e d c s q u i d s a r ec a r r i e do u tw i t has e to f c o m p u t e r c o n t r o l l e d v i r t u a li n s t r u m e n td a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do n l a b v i e ww h i c hi sd e v e l o p e db yo u r s e l v e s t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h e c r i t i c a lc u r r e n to ft h ef a b r i c a t e d w a s h e r - t y p eh i g h t cd e s q u i dw i t ht w o b i c r y s t a lj u n c t i o n s i sa b o u t 5 5 9 aw i t h i t s i c ro fa b o u t 110 9 v f o rt h e m a g n e t o m e t e r o p e r a t e d o nf l n xl o e k e dm o d ew i t h5 0 k h z m o d u l a t i o n f r e q u e n c y ，i t sm a g n e t i cf i e l ds e n s i t i v i t yi s a b o u t3 3 3f t h z ”a tw h i t en o i s e z o n ea n dt h e c o r r e s p o n d i n g f l u x s e n s i t i v i t y i sa b o u t 1 4 5 “o o h z l 7 2 i n n o n s u p e r c o n d u c t i n gs h i e l d e de n v i r o n m e n t t h e o p t i m i z a t i o n f o rt h e c o n f i g u r a t i o n o ff i r s t - o r d e r p l a n a rh i g h t c d c s q u i dg r a d i o m e t e rw h i c hi sw i d e l yu s e di nu n s h i e l d e de n v i r o n m e n ti s a l s oi n v o l v e di nt h i st h e s i s f o rt h eo p t i m i z e df i r s t o r d e r p l a n a rg r a d i o m e t e r w i t ht h eo u t e ra n t e n n as i z eo f9 m m 9m m ，t h eb a s e l i n e l e n g t hbi s a b o u t 6 m m w h e nt h ec e n t r a ls q u i dh o l eis 4 u m 1 1 0 1 a ma n dt h es q u i dl i n e w i d t hi s5 g m ，t h ep a r a m e t e rb a e f ff o rt h e p l a n a rg r a d i o m e t e r h a st h e 摘要 m a x i m u mv a l u eo f0 7 m m 。t h ef i r s t o r d e rp l a n a rg r a d i o m e t e ri sf a b r i c a t e d o n10x10 r a m 2s u b s t r a t ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s ot e s t e d t h et e s t i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h ef l u x s e n s i t i v i t yo ft h e f a b r i c a t e dh i g h - t cd c s q u i d f i r s t o r d e r g r a d i o m e t e r i sa b o u t 1 5 u m o h z “2 a tw h i t en o i s ez o n ea n dt h e c o r r e s p o n d i n gm a g n e t i cf i e l dg r a d i e n tr e s o l u t i o ni s4 4 3f r c m h z “2 an o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n ( n d e ) s y s t e mw i t h t h ef a b r i c a t e d h i g h t c d c s q u i dm a g n e t o m e t e rh a sb e e nb u i l tu pb a s e do ne d d yc u r r e n tn d e t h e n d e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rs e v e r a la l u m i n i u mp l a t e ss h o wt h a tt h es e n s i b l e h i g h t cd c s q u i d n d ec a nb e e f f e c t i v e l ya p p l i e d i nn o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n w h e nf l a w sa r eo v e rt e na n de v e ns e v e r a lt e n sm i l l i m e t e r sb e l o w t h e s a m p l es u r f a c e ，t h e a d d i t i v e s i g n a l s f r o mt h ef l a w sc a nb e c l e a r l y i d e n t i f i e d b ym a p p i n gt h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ，w ec a nl o c a t et h ef l a w p o s i t i o n u p t o n o w ，h o w e v e r ，n oa p p r o p r i a t e m o d e lc a n q u a n t i t a t i v e l y d e s c r i b et h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e na d d i t i v e s i g n a l sa n dt h er e a l s i z e o ft h e f l a w t h e r e f o r e ，w ec a n n o td e t e r m i n et h ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i cr e l a t i o n s h i p b e t w e e no b s e r v e da d d i t i v es i g n a l sa n df l a ws h a p e k e y w o r d sh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n g ；d c s q u i d ；m a g n e t o m e t e r ； p l a n a rg r a d i o m e t e r ；e d d yc u r r e n t ；n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n i l l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 高温超导发展历史 自从1 9 1 1 年荷兰物理学家o n n e s 首先发现汞的超导现象以来，一个崭新的超导 物理研究领域呈现在科学家面前。几十年来，科学家们一直在探索超导体的机理和 寻求更高转变温度的新型超导体。1 9 3 3 年，m e i s s n e r 和o c h s e n f e l d 发现了超导体的 完全抗磁性，将超导现象与完全导体现象区别开来。1 9 3 4 年，g o r t e r 和c a s i m i r 基 于正常态与超导态电子的概念提出了二流体模型。1 9 3 5 年，l o n d o n 兄弟提出了描述 超导体零电阻性质和完全抗磁性的l o n d o n 方程。1 9 5 0 年，g i n z b u r g 和l a n d a u 将二 级相变理论应用于超导体，提出了超导电性的唯象理论。1 9 5 7 年，b a r d e e n 、c o o p e r 和s c h r i e f f e r 建立了超导微观机制的b c s 理论，利用超导电子c o o p e r 对的概念，解 释了超导体在临界温度t c 下的转变过程u j 。 1 9 5 4 年，m a t t h i a s 发现了新型超导化合物n b 3 s n 。1 9 6 1 年，k u n z l e r 将其制成高 场磁体，开辟了超导在强电中的应用领域。超导磁体由于具有电流密度高、体积紧 凑、重量轻，无焦耳热损耗、高磁场强度和梯度、高磁场稳定性等优点，可以满足 常规磁体无法实现的要求，成为一种具有很大优势的新兴技术，可作为电力领域( 如 超导电机、超导变压器、超导储能、超导输电等) 、高能物理领域( 如高能粒子加速 器和探测器、核聚变装置、磁流体发电等) 、交通领域( 如超导磁悬浮高速列车、超 导电磁推进船舶等) 、生物医学领域( 如超导核磁成像、超导核磁共振等) 等强电应 用领域中的核心部件1 2 】。 1 9 6 2 年，j o s e p h s o n 效应的发现，将超导的应用拓展到一个崭新的弱电应用领域 中【3 1 。一方面由于超导体表面电阻极小，微波表面损耗很低，可以构成高性能的滤 波器、谐振器等各种无源微波器件。另一方面，基于直流j o s e p h s o n 效应的超导量子 干涉器件( s q u i d s ) 具有量子极限的磁场灵敏度，而且具有极低的噪声、极宽的工 作频带和极低的功耗等一系列优异的性能，可应用于国防、探矿、地震预报、生物 磁学等弱磁信号检测的相关领域；基于交流j o s e p h s o n 效应的器件，在射电天文、电 压基准监视等领域也显示出其它器件不可比拟的性能。 传统的低温超导体转变温度都不高，必须在近于液氨温度下工作，大大限制了 燕山大学工学博士学位论文 超导体优越性的发挥。1 9 8 6 年4 月，瑞士苏黎士实验室的b e d n o r z 和m t l l l e r 发现了 l a b a c u 氧化物超导体【4 】，其超导转变温度t 。超过了3 0 k 。随后1 9 8 7 年，中国科 学家赵忠贤和美籍华人科学家朱经武等分别发现了y b a 2 c u 3 0 7 6 ( y b c o ) 氧化物超导 体，其转变温度高于9 0 k t 5 “，使超导体在液氮温区的应用变为现实，从此进入了高 温超导h t s ( h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ) 研究的崭新时代。 时至今| ；l ，不断有新的超导材料被发现，高温超导材料转变温度t 。的记录也不 断地被刷新j ，以液氮为冷却介质的高温超导体也在某些领域已经得到了应用。超 导技术作为一种新兴的尖端技术，直接推动着凝聚态物理、材料科学、电工技术和 电子技术等相关学科的发展，是当前高新科学技术的一个重要研究领域，具有重大 的科学意义和应用前景。 1 2 高温超导j o s e p h s o n 结的研究进展 1 2 1 载流子运动的s c h r s d i n g e r 方程 在所有物质中，载流子按量子机制的定律运动，在通常粒子相互作用比较弱且 忽略自旋效应的近似情况下，这种运动可以用s c h r 6 d i n g e r 方程加以描述： i h w ( r ，f ) = h w ( r ，f ) ( 1 1 ) a f w ( r ，r ) = i 甲( ，t ) l e x p i o ( r ，f ) 】 ( 1 - 2 ) 式中、王，( r t ) 是粒子的波函数。h 是p l a n e k 常数，h = 1 0 5 4 x 1 0 。4 js ，h 是h a m i l t o n 函数。 静态时，假定f 甲( r ，t ) i 为常数，h 可用粒子的能量e 代替，结果( 1 - 1 ) 式可表示 为： 访i 甲( ，) i c x p 徊( f ) 】i 昙t o ( r , t ) = e i v ( r , o i e x p i o ( r , t ) ( 1 - 3 ) 即：h o ( r ，r ) = - e ( 1 - 4 ) 这样，特定的量子特征实际上化简为波函数相位0 的特征。对于正常态物质， 其载流子为单电子或空穴，遵循f e r m i d i r a e 统计规律，它们的能量永远不能相等， 结果8 0 ( r , t ) & 对所有的粒子都不相同，相位0 沿三角圆形( t r i g o n o m e t r i cc i r c l e ) 整 齐分布，宏观量是所有粒子的总和，因此宏观量不具有量子化特征。 与单电子相比，超导体中的c o o p e r 对是两个电子的结合状态，具有相反的动量 和自旋，其净自旋等于零，这样，c o o p e r 对遵循b o s e e i n s t e i n 统计规律，低温下凝 第1 章绪论 聚到最低的能量水平，结果所有c o o p e r 对的a o ( r ，t ) 胁相等，而且c o o p e r 对尺寸相 对于c o o p e r 对间的净空间距离要大得多，c o o p e r 对的波函数在很大程度上是重叠 的，因此在给定点下，超导体中的所有c o o p e r 对是相位锁定的，可以用一个单波函 数沙( 经常称为序参量) 表示，这样，宏观量( 特别是电流) 取决于0 ，在电磁场的 作用下以量子的方式变化产生e ，这种量子的依赖性不仅导致超导体的零电阻以及 m e i s s n e r 效应，而且导致磁通量子化以及j o s e p h s o n 效应等超导特有的效应。 1 2 2 磁通量子化 考虑一个闭合超导环( 如图1 - 1 ) 中的磁通量m 。= 否d 孑= ( v j ) d 孑= 扣斫 其中，a 为磁场的矢量势，h 为磁场，为电流密度， 歹；v 。耳：土v 。秀：上v 。( v 。j ) 。 4 , u o 根据g l 方程，对于超导环中的闭合回路c ，得到 2 嗲j 刃= 一万m ? 研j 刃+ 丢亨w 斫 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 其中，咿为超导电子有效波函数，盱m 砂，9 为相位；m 为c o o p e r 对的电子质量， e 为电子电荷。 b 图1 - 1 超导环中磁通量子化 f i g 1 - 1m a g n e t i cf l u xq u a n t i z a t i o ni ns u p e r c o n d u c t i n g l o o p 将积分路径选在超导环内部，由于那里的，= 0 ，所以式( t - 6 ) 右边第一项等 于零。根据对 f ，的单值性要求，式( 1 6 ) 右边第二项的积分项应为2 兀的整数倍， 即2 n n ，n 为任意整数，由此得到： 燕山大学工学博士学位论文 o ：2 n x 旦：h 旦：月巾。 ( 1 - 7 ) 2 已2 e ” h = 2 z h = 6 6 2 x 1 0 - 3 4 js ，= h 2 e = 2 0 7 x l o - 1 5 w b ，称为磁通量子，由此表明，超导 环中的磁通量m 只能是m o 的整数倍，即磁通量子化。 1 2 3 j o s e p h s o n 效应 两块超导体以某种弱连接方式实现耦合时，超导体中的c o o p e r 对通过隧道效 应，在两块超导体间存在一个小的转移几率，这种超导隧道效应称为j o s e p h s o n 效应。 如图1 2 所示，两块超导体被一势垒层分开，形成弱耦合，中间的势垒层构成一个 超导隧道结，隧道结两侧超导体的宏观量子波函数妒1 和忱不是完全独立，y l 和忱 满足下列方程组： 腩婴= “y l + 慨 ( 1 - 8 ) 州 访旦磐= 鸬：+ 慨 ( 1 - 9 ) u f 式中：妒i = n g “，= 岛e 恍；“l ，分别代表超导体1 和2 的c o o p e r 对能量； k 为耦合系数，表征隧道结两侧超导体弱耦合的程度。 图1 2 超导隧道结示意图 f i g 1 - 2s k e t c hd i a g r a m o f t h e s u p e r c o n d u c t i n g t u n n e lj u n c t i o n 将= 以知m 和= 爵m 代入上两式， 鲁= 警厮s i n ( 纯训 鲁= 一警厮s i n ( 2 训 虹o t 一鲁一妻厝c o s ( 仍刊 亢、n ”2“ 虹o t 。丝h 一鲁雁c o s ( 仍_ 叩1 ) 壳、以 ” 4 并分别要求两式实部和虚部相等，得到： ( i - 1 0 ) ( 1 - 1 1 ) ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 第1 章绪论 因此，孥= 一警，表明通过势垒存在不为零的电流密度j ， 岸e 鲁一4 亢e k r - - ；s 嘞训= 倒n p ( 1 _ 1 4 ) 其中，p ：妒：一妒，工= 掣0 丽。式( 1 1 4 ) 被称为j o s e p h s o n 第一方程。 在隧道结两侧为相同超导体的对称情况下，n = p ：，则： 旦竺：曼f 翌2 二翌! ! ：凸二丝：q v ：2 e v( 1 1 5 ) o t西自 自 q 是c o o p e r 电子对电荷等于2 e ，式( 1 - 1 5 ) 被称为j o s e p h s o n 第二方程。 1 2 4 高温超导d o s e p h s o n 结的类型 j o s e p h s o n 结是s q u i d 器件的关键和重要组成部分，对于s q u i d 器件中的 j o s e p h s o n 结的要求，归纳起来包括以下几个方面： n 1j o s e p h s o n 结的i v 特性曲线无回滞，满足电阻分路r s j 模型： ( 2 ) i 临界电流i 。和正常态电阻r n 的乘积足够大； ( 3 ) 结参数( i 。，r 。，c 等) 的可控性和可重复性高，成品率高： f 4 1 室温存放以及冷热循环条件下的稳定性好； ( 5 ) 1 f 噪声低。 到目前为止，制备高温超导三层s - i s 隧道结的技术还不能很好地满足以上要 求，这主要是由于以下几方面的原因； ( 1 ) 高温超导s i s 结需要外延生长，材料的选择和工艺过程受到极大的限制； ( 2 ) 高温超导超导体的相干长度 很短，而且是高度各向异性( y b c o 的e 值在 a b 面上约为2 n m ，在c 轴方向约为o 2 r i m ) ，结果高温超导材料对原子尺度上结构和 化学成分的变化就很敏感，而且由于高温超导薄膜成膜温度较高( 一般5 0 0 9 0 0 。c ) ， 在超导一绝缘界面，高温超导体的序参量大大减小，从而使i 。r n 大大减小，这就要 求超导电极要有非常好的结晶性，而且在一个单胞尺度内形成清晰的超导一绝缘界 面： ( 3 ) 势垒材料一般是接近于金属一绝缘体转变的氧化物，具有复杂的晶体结构， 在原子尺度范围内对缺陷非常敏感，结果势垒的穿越受势垒以及势垒和电极界面处 的微观结构的缺陷影响很大。这就要求势垒要具有很高的同质结晶质量。 最初的高温超导j o s e p h s o n 结是用y b c o 多晶薄膜刻成微米尺度的桥制成的， 燕山大学工学博士学位论文 桥内的颗粒结构形成j o s e p h s o n 弱连接 8 】，如图1 - 3 ( a ) 。由于晶粒大小和取向不能控 制，导致这类j o s e p h s o n 器件的性能很难控制，制备工艺的重复性和可靠性都很差， 而且由于形成器件的材料是颗粒结构，很容易捕获或逸出磁通线，器件的噪声很大， 质量比较差，但是这种器件为我们利用高温超导体晶界作为j o s e p h s o n 结制备s q u i d 器件提供了可行性。随着薄膜技术的发展，外延生长高温超导薄膜已经很成熟，各 种人工控制的j o s e p h s o n 结的技术也相继研制成功，其中比较成熟和研究得比较多的 结技术有晶界结、临近效应结和微桥型结等。 1 2 4 1 晶界结 晶界结是考虑到高温超导体的高度各向异性以及晶体结构和传输特性而发展起 来的新的弱连接类型。和低温超导体不同，这类j o s e p h s o n 结包括有a b 面上具有不 同取向的两超导颗粒间的弱耦合以及c 轴方向的内在j o s e p h s o n 效应，主要包括双晶 晶界结、台阶晶界结和双外延晶界结等。 1 双晶晶界结 将两块有一定结晶学取向差的单晶表面抛光，将抛光面合在一起，然后进行高 温高压热处理，热处理的温度低于晶体的熔点，压力小于弹性极限值，经几十小时 长时间热处理，两块晶体通过固相扩散形成双晶体，将双晶体沿垂直于晶界的方向 切片，形成双晶基片。双晶晶界结就是通过在双晶基片上外延生长高温超导薄膜， 在双晶晶界处形成超导晶粒边界，如图1 - 3 ( b ) 所示。任何可外延生长高温超导薄膜 的基片都适于做双晶基片，包括s r t i 0 3 ( s t o ) 9 1 、y s z 1 们、s i t l ”、n d g a 0 3 【1 2 】、m g o 1 3 1 、 l a a l 0 3 1 4 和蓝宝石f 1 5 】等。 双晶晶界上高温超导薄膜的临界电流密度随取向差的增加近似地指数下降，大 部分双晶s q u i d 都是在2 4 0 和3 6 0 的双晶基片上制各的，最近商业上也有3 0 。的双晶 基片出售。 在双晶基片上外延生长的y b c o 薄膜穿过晶粒边界的临界电流密度与在单晶 基片上生长的薄膜的临界电流密度相比，一般要低两个数量级，约为1 0 4 a c m 2 ，跨 晶界刻出2 5 “m 的微桥形成j o s e p h s o n 结。双晶结工艺简单，成品率高，结性能的 重复性和一致性都比较好，但双晶结只能做在双晶晶界处，位置不能随意安排，这 对大规模器件的应用就不太合适了。 6 第1 章绪论 ( a ) 彤。晶界 醛y b c o踅篱y b c o _ 离子柬损伤区域电压脉冲损伤区域 箕y b c o 尊 ( 静 ( h ) 图i - 3 主要的高温超导薄膜j o s e p h s o n 结 f i g 1 _ 3m a i nh i g h - t cs u p e r c o n d u c t i n gt h i nf i l mj o s e p h s o nj u n c t i o n s o o 2 双外延晶界结 衬底晶体取向不同时，外延薄膜在晶界处可以形成弱连接，根据这一思想，人 们又发展了双外延技术，如图1 3 ( c ) 所示。在蓝宝石基片的一半上先外延一层m g o 薄膜，然后整片外延s t o 薄膜，s t o 薄膜在m 9 0 和蓝宝石晶体上外延生长具有不 同的取向，形成晶界，如果再在上面外延生长y b c o 薄膜就形成弱连接边界 1 6 】。双 外延j o s e p h s o n 结的i 汰。值很小，丽且双外延结采用的是多层膜技术，工艺要求高， 难度大，结的成品率和重复性还不太高，因此一般不用它制备s q u i d 。 3 台阶晶界结 在单晶基片上，用氩离子刻蚀掉基片表面的一部分，在基片上形成台阶，外延 舞k 垂避骢 燕山大学工学博士学位论文 生长的c 取向高温超导薄膜在基片上陡峭的台阶处改变其取向，在台阶边缘处形成 台阶结 ，如图1 3 ( d ) 所示。台阶结的质量与台阶形貌的关系非常密切，为制成优 质的台阶结，要控制台阶形貌，台阶角一般需要在6 0 0 左右，台阶角度小时，晶界比 较复杂。若台阶角小于3 0 。时，一般在台阶角处不形成晶界，另外，外延薄膜的厚度 d 一般不超过台阶高度h ，d h 控制在2 3 1 之间。台阶结工艺的一致性和重复性都 不如双晶结，但它可以根据需要在基片上安排器件的位置。 1 2 4 2 邻近效应结 在两个超导电极之间异质外延生长一层薄的绝缘或正常导体中间层材料，利用 超导电极的邻近效应可制成邻近效应结，主要包括有台阶边缘型邻近效应结和斜面 边缘型邻近效应结。 1 台阶边缘型邻近效应结 台阶边缘型邻近效应结的工艺与台阶结工艺接近，在台阶基片上以一定角度外 延y b c o 薄膜，薄膜在台阶处不连续，再在台阶处异质外延生长正常金属层与y b c o 薄膜的a b 面接触，在台阶边缘处形成超导一正常金属一超导邻近效应弱连接【1 8 1 ，如 图1 - 3 ( e ) 所示。这种结的i v 特性曲线可用r s j 模型描述，如果只有金属与y b c o 晶轴取向接触，j o s e p h s o n 的耦合可以比较强，j 。和i 。r n 值可以做到1 0 4 a c m 2 和 8 0 0 9 v ，正常态电阻主要由界面电阻决定，为得到大的i 。风值，希望减小界面电阻 而增加正常金属本身的电阻，后者要求很薄的势垒层，增加了工艺上的难度。 2 斜面边缘型邻近效应结 斜面边缘型邻近效应结的工艺过程为：首先在单晶基片上外延y b c o 薄膜，再 在上面外延钙钛矿型且晶格常数相近的p b c o 薄膜，有时为增加绝缘性能，在p b c o 薄膜上再生长一层z r 0 2 薄膜，其次用倾斜a r + 离子束刻蚀三层，形成约4 5 0 的斜面， 斜面经低压m + 离子清洗后再次沉积p b c o 薄势垒层和y b c o 顶层，最后沿斜面刻 蚀窄桥，形成斜面边缘型邻近效应结【1 9 】，如图1 - 3 ( 0 所示。这种结在7 7 k 时 j = 1 0 3 a c m 2 ，i c r n 5 0 肛v ，如果势垒层l k , 较薄，i 。r n 可达3 0 0 u v 。 1 2 4 3 微区弱化结和纳米桥 微区弱化结是用离子束或电子束损伤窄的超导区的局部位置，造成弱连接 1 2 0 , 2 1 1 ，如图l - 3 ( g ) 和( h ) 所示。这种结的特性可用r s j 模型描述，结的一致性比较好， 第1 章绪论 结的临界电流密度在空间分布均匀，j 。和i 。r n 值可达到晶界结的水平，结的工艺简 单，但结的长时间稳定性和重复性还存在问题。 纳米桥一般用电子束刻成，尺寸约为2 0 9 0 n m 宽，这种结的i 。和r n 的分散性小， 但i 。值太小，7 7 k 时只有1 0 1 5 a a ，不好用，而且i v 特性经常表现出磁通流特性。 1 3 高温超导d c s q u i d 研究进展 1 3 1 j o s e p h s o n 结的宏观量子衍射现象 为描述j o s e p h s o n 隧道结在外磁场中的行为，选取如图1 - 4 所示的坐标系，考虑 小结( t 乃) 的情况，h 为j o s e p h s o n 穿透深度。外磁场不为零时，在超导体中 两点( 坐标分别为x 和x + d x ) 之间的规范不变位相差由g l 方程决定： a f o = 鲁喙以“) ( i - 1 6 ) 式中j 。为超流密度，a 为矢量势，v a = h 。 上式分别在超导结的两侧超导体( 左侧l 和右侧r ) 中成立。根据图中的积分 路径c r 和c l 得到： 嘣矿嘣h d r ) = 鲁( 舢彘埘甜 ( i _ 1 7 ) 吮o + d r ) 一仡( x ) 2 i 2 e 口+ 意以) 刃 ( 1 _ 1 8 ) l 与南 碉臣 h 图l - 4 推导j o s e p h s o n 第三方程选取的坐标系和积分回路 f i g 1 - 4s e l e c t e dc o o r d i n a t i o ns y s t e ma n d i n t e g r a t i o nl o o p f o rd e r i v i n g j o s e p h s o n s3 t he q u a t i o n 假定超导薄膜的厚度远大于伦敦穿透深度，把积分路径选到远离势垒区的超导 9 燕山大学工学博士学位论文 体内部，使得在除伦敦穿透深度区外，其它积分路径上的j ；为零，而在伦敦穿透区 内选择积分路径与j ；垂直，这样的积分项中的凡d l 为零，于是可以得到： 妒o + d r ) 一p ( x ) = 仡( x + d x ) 一( x + 出) 1 吮( x ) 一纸( x ) = 科p d + p 讲 忽略势垒厚度，得到： m + 出) 一贴) = 鲁嘎爿- d ( 1 - 2 0 ) 将线积分换成面积分： 4 - d = ( v 爿) - d 盯= f h - d ( 1 - 2 1 ) 式( 1 - 2 1 ) 右侧为外磁场h 在面积元d o = ( ) g l + h + ) d x 内的磁通量，即： f h d o - = ( 五+ 厶+ f ) h y d x ( 1 - 2 2 ) 于是可以得到： 警= 鲁( a + 川m ，= 警q ( 1 - 2 3 ) 若取外磁场在x 方向，同理可以得到： d _ e ：型h 一 ( 1 2 4 ) a y a 联合式( 1 2 3 ) 和( 1 - 2 4 ) 得到： v 。：2 e _ _ q _ a h n( 1 - 2 5 ) h 式( 1 2 5 ) 为j o s e p h s o n 第三方程，适用于h 为任意取向的普遍情况，表明外 磁场的存在将导致位相差p 的空间调制，从而导致j o s e p h s o n 电流密度的空间调制， 不同处的j o s e p h s o n 电流彼此是位相相关的。 根据j o s e p h s o n 第三方程考虑图1 - 5 所示的小结在外磁场马中的行为。利用式 ( 1 2 3 ) ，将其积分得到： 妒( 石) = 兰兰h y x + ( 1 2 6 ) 代入j o s e p h s o n 第一方程( 1 - 1 4 ) 式，得到： 五= 矗s i n ( 尝曼q x + ) ( 1 2 7 ) 按图中所示坐标，流过结平面的总电流为对整个结势垒区平面求积分： 1 0 第1 章绪论 邶，：聪脚锻t 尝冠枷，嬖血( 日) = 丘象象矗威砂= 元o t 赤s i n = 丘( o ) 孝s i n h中。 式( 1 - 2 8 ) 中，籼= d l 。h y 为磁场h y 在结区d l 。面积内产生的结磁通量，选取s i n 0 0 2 1 ， i f h 、取最大值 m s x ( i - ) ，见式( 1 - 2 9 ) 。 ，( 日) = 毛( o ) = 七( 0 ) 图1 - 5 推导i 一h h 关系时选取的坐标系 f i g 1 - 5s e l e c t e dc o o r d i n a t i o ns y s t e mf o rd e r i v i n g1 m “( h ) 畸 r e l a t i o n s h i p k g 【h ) n l o ) 。 7 、八 、 432101234 h 凰 图1 - 6i 巾。( h ) i 。( 0 卜i - i h o 关系曲线 f i g 1 - 6 c u r v e f o r i m 州m “0 ) h i h 0r e l a t i o n s h i p ( 1 2 9 ) 燕山大学工学博士学位论文 式( 1 - 2 9 ) 中，h o - - - o o d l 。，它在形式上与物理光学中的f r a u n h o f f 单缝衍射相 类似，它表明的是j o s e p h s o n 结不同处的电流密度是位相相干的，这是j o s e p h s o n 电 流的宏观量子衍射现象2 2 1 ，其理论关系衄线如图1 6 所示。 1 3 2 双结超导环的宏观量子干涉现象 如前所述，单个j o s e p h s o n 结处于外磁场中时，由于磁场的存在，改变了j o s e p h s o n 电流密度的空间分布，不同地点的位相差妒完全取决于外磁场，也就是说不同地点 的j o s e p h s o n 电流是位相相干电流，j o s e p h s o n 结在外磁场中的i ( h ) h 关系呈现类似 于物理光学中f r a u n h o f f 衍射图样的宏观量子衍射曲线。下面讨论两