【超导量子磁强计传感器QUID结主要构型分析案例7100字】

超导量子磁强计传感器QUID结主要构型分析案例 1.1微桥型结 2 1.1.3邻近效应桥结 1.2晶界型结 26 3 31.3.4台阶边缘SNS结 1.3.5其他夹层型结 SQUID的约瑟夫森结本质上是一种超导体-势垒-超导体结构，只要能够在两超导体之间制造一个具有一定势垒的“弱连接”,就有可能形成一个结。因此结的构型非常多制造晶界等)的超导层、半导体层等等。按照结中界面的情况，将结构型大体分为三个1.1微桥型结微桥型结的核心是“颈缩”,整片超导薄膜在中间段急剧缩紧形成颈缩区，由于颈缩区的横截面积(垂直于超导电流)远小于两侧电极的横截面积，此处的超导临界电流桥构型是一个单独的薄膜，两个相对大的超导区域由一个很窄的桥(颈缩区)连接根据颈缩的方向不同，桥型结分为等厚桥(C.T.B)和变厚桥(V.T.B),如图18所成为结的必须条件是桥的尺寸小于或相当于相干长度ξ,对于C.T.B构型，同时满足L的桥，这一工艺是比较困难的。而对于V.T.B构型，事实上必须满足的条件只是桥型结只需要制备单层薄膜并进行刻蚀，工艺相对简单，但对几何尺寸的要求非常子)对超导薄膜桥区进行局部辐射，造成桥区氧失序，从而降低这部分的超导电性，就通过电子束辐射达成“弱化”的局部弱化微桥型结具有长期稳定性，但是可控性不“弱化”的局部弱化微桥型结，其中氧离子辐射程中控制氧离子剂量来控制，但是特征电压很低，77K下特征电压典型值在1基于邻近效应的桥是一种相当重要的桥，一般通过掩膜蒸发超导薄膜，直接形成桥型.而后在桥区尽快镀十正常金属膜.以保证二者之间有良好的接触。这一构型用各种超导材料都可以实现，例如软金属Pb、Sn、In及其合金，硬金属Nb、Ta等等合物。覆盖在软金属上的正常金属一般采用A用Ta或Zr。W以—Sn-Ag邻近效应桥为例(图1.4),在临界温度以下，邻近效应桥的V-I特性存邻近效应利用正常金属膜弱化了桥区的超导电性，从而可以制造较大的桥，有效避免了桥型结的几何界限问题，因而制备工艺简单；但是S对复杂，结的电学参数可控性较差，大的回滞I(mA)晶界型结放宽了对微桥尺寸的限制，但是这一构型的超导性桥型结和夹层型结来说，工艺难度大，成品率低，但是其在高将两块单晶(如SrTiO₃、MgO、ZrO2等)沿某一个面切开并镜面抛光，按照一定要求工晶界，当在衬底上外延c轴(方向如图1.5所示)取向的超导薄膜时，薄膜将复现衬α目前，尚未有证实的理论说明人工晶界削弱超导电性的机理，一种接受度比较高的削弱了超导电性。由于位错的密度正比于晶界两边取向差(晶界角)的大小，故而双晶以YBCO为例列举了几个双晶晶界结的典型参数。随着晶界角增加，RA的迅速增长意编号晶界角/°宽度w/μm12345图1.7为双晶晶界结的I-V特性，与通常的微桥结有明显差异(见图1.8)。杨建清双晶晶界结只需要外延一层超导薄膜，并且双晶衬底有商品供应，因此工艺简单、成品率高、重复性好，并且结电学性能一般较好，与RSJ模型符合良好，还可以通过在制备衬底的过程中改变晶界角加以控制，在实际应用尤其是高温应用中占据了举足轻重的地位。但双晶晶界结仍有明显的缺点，一来双晶衬底价格昂贵，大大提高了结的成本；二来衬底晶界的位置决定了结的几何位置，而人工晶界贯穿整个衬底，这意味着双晶晶界结不适合用在大规模或集成器件当中。1.2.2台阶边缘结台阶边缘结，又称衬底台阶结，是通过在合适的单晶衬底上刻蚀台阶，外延生长超导薄膜后进一步刻蚀跨越台阶的μm级微桥制备而成的。衬底台阶坡面处的薄膜和台阶上下平面处的薄膜的晶体取向不同，从而会在衬底台阶的上下边缘各形成一个晶界，削弱超导电性。台阶边缘结的质量直接取决于衬底台阶的质量。衬底的台阶角θ越大，也就是坡面处和平面处的薄膜取向差异越大，形成的晶界就越清晰。当θ较小时，形成的晶界比较复杂，θ<30°时甚至通常没有晶界产生。理想的台阶角θ=90°,然而实际上很难得到YBCO的情况下)[48,图1.10显示了YBCO台阶边缘结在不同温度(液氮温度附近) 晶界角只能固定45°(制备其他晶界角非常困难，成品性能差54)),因此结的参数难导块材或厚膜刻蚀制造的微桥，桥的尺寸比桥型结更大，通常在100μm量级，是最早多晶微桥型结由于颈缩结构的存在，导致桥区的临界电流远小于两端超导电极的临界电流，并且多晶材料(包括多晶薄膜、块材和厚膜)的晶粒是无规则排列的，这意味结，工艺上相较之下最为简单(无需蒸发薄膜、桥尺寸大易于刻蚀),但大量无规则晶夹层型结是最经典也最丰富的构型，其中以绝缘氧化物作为势垒层的结正是最早观SQUID中，目前大多以Nb作为超导电极、AlOx作为绝缘层。简单来说，点接触结就是通过将一超导尖端压在一超导平面上形成微小面积接触实现的，最广泛应用的就是螺钉型点接触(见图1.14)。点接触结具有制作简单、压力可生长氧化物(将点接触结归类为夹层型结正是因此),因此点接触在实际工作当中是介于金属点接触和S-I-S构型之间的情况，这就意味着它缺乏重复性和稳定性。但当超导尖端生长氧化物后，由于氧化物势垒天然具有大电容，其I-V特性会逐渐向在一个超导体-正常金属-超导体(S-N-S)结构中，如前所述利用S-Clarke⁶21测试了一Pb-Cu-Pb夹层，其结电阻的典型值在10-⁷Ω范围内，极低的电阻临界电流在10mA量级。并且Clarke还测试了该构型的临界电流随温度的变化，在超导在S-N-S结中再插入一层绝缘层，形成S-I-N-S结构，能够有效避免超低电阻带来底上(如STO、LaAlO3单晶)刻蚀非常陡峭的台阶，而后外延在台阶处断开的超导薄膜，再沉积一层正常金属填充薄膜缝隙，最后再在SN两层膜中刻蚀微桥。这一构型改进了台阶边缘结的一致性，但原理与台阶边缘结截然不同，是基于正常基于势垒层材料选择、制造方式