- •В.Н. Игумнов Основы высокотемпературной криоэлектроники
- •Условные обозначения
- •Список сокращений
- •Предисловие
- •Введение
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Глава 1 сверхпроводимость
- •1.1. Нулевое сопротивление
- •Критические температуры некоторых сверхпроводников
- •1.2. Сверхпроводник в магнитном поле
- •Значения напряженности критического поля
- •1.3. Сверхпроводники второго рода. Вихри Абрикосова
- •Сверхпроводники второго рода
- •1.4. Энергетическая щель. Одночастичное туннелирование
- •Величина щели для различных сверхпроводников
- •1.5. Эффекты Джозефсона
- •Параметры слабосвязанных сверхпроводниковых структур, изготовленных методами интегральной технологии
- •1.6. Теория Бардина-Купера-Шриффера. Основные результаты
- •1.7. Особенности высокотемпературной сверхпроводимости
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2 высокотемпературные сверхпроводники
- •2.1. Структура высокотемпературных сверхпроводников
- •Основные свойства некоторых втсп
- •Контрольные вопросы
- •2.2. Синтез втсп материалов
- •Размеры частиц порошков, полученных разными методами
- •Контрольные вопросы
- •2.3. Технология объемных сверхпроводников
- •2.3.1. Методы жидкофазного полученияBi-2212 сверхпроводников
- •Основные параметры расплавных методов и характеристики Bi-2212 [10]
- •2.3.2. Методы жидкофазного получения y-123 сверхпроводников
- •Основные параметры раслоенных методов и характеристики y-123
- •Контрольные вопросы
- •2.4. Технология пленочных сверхпроводников
- •2.4.1. Физические методы получения тонких пленок
- •2.4.2. Химические методы получения пленок и покрытий
- •2.4.3. Подложки. Буферные слои
- •Удельное сопротивление и тСпленокY-123
- •Контрольные вопросы
- •2.5. Основные свойства сверхпроводников
- •2.5.1. Переход металл-изолятор
- •2.5.2. Терморезистивные характеристики
- •2.5.3. Критический ток
- •2.5.4. Высокотемпературные сверхпроводники в магнитном поле
- •Результаты резистивных измерений в различных сверхпроводниках [5]
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3 устройства криоэлектроники
- •3.1. Пассивные сверхвысокочастотные устройства
- •3.1.1. Микрополосковые линии. Линии задержки
- •Зависимость ширины микрополоска от длины линии
- •Линии задержки
- •3.1.2. Фильтры
- •Полосовые фильтры
- •3.1.3. Резонаторы
- •3.1.4. Приборы наS–Nпереходах
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Болометры
- •Контрольные вопросы
- •3.3. Устройства на основе переходов Джозефсона
- •3.3.1. Джозефсоновские криотроны
- •3.3.2. Цифровые устройства на д-криотронах
- •3.3.3. Квантроны
- •3.3.4. Приемные устройства
- •3.3.5. Генераторы
- •Контрольные вопросы
- •3.4. Устройства на основе квантовых интерферометров
- •3.4.1. Сверхпроводящий квантовый интерферометр
- •3.4.2. Цифровые устройства на основе сквиДов
- •3.4.3. Магнитометры и градиентометры
- •3.4.4. Магнитометрические системы
- •Основные параметры ссм
- •Контрольные вопросы
- •3.5. Магнитные экраны
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4 лабораторный практикум
- •4.1. Синтез втсп материалов
- •Общие сведения
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.2. Получение и исследование тонкопленочных втсп элементов
- •Общие сведения
- •Характеристики распылительных систем
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.3. Получение и исследование колец-фрагментов магнитного экрана
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.4. Исследование свойств колец-фрагментов магнитного экрана
- •Общие сведения
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.5. Изготовление и исследование свойств магнитных экранов
- •Общие сведения
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •Глава 1 16
- •Глава 2 50
- •Глава 3 107
- •Глава 4 165
2.4.3. Подложки. Буферные слои
В пленочной криоэлектронике роль подложек более значительна, чем в обычной пленочной электронике. Это связано с особенностями ВТСП материалов: перитектическим распадом при высоких температурах, необходимостью строгой выдержки стехиометрического состава и деградацией пленок при введении в них некоторых примесей. Поэтому выбор структуры и химического состава подложки является существенным для создания качественных тонких или толстых пленок. Негативное влияние подложки на ВТСП пленку может протекать по двум направлениям: физическому и химическому. В первом случае оно связано с инконгруэнтным плавлением ВТСП материала. Как уже отмечалось, эти материалы при достижении определенной температуры распадаются с образованием твердой и жидкой фаз. В определенных условиях охлаждение приводит к обратному процессу с образованием ВТСП фазы. Однако удаление части жидкой фазы делает обратную реакцию невозможной. Такое удаление возможно в результате всасывания при нагревании жидкости капиллярами подложки. При охлаждении подложки жидкость затвердевает в капиллярах, и химический состав ВТСП материалов не восстанавливается. Сверхпроводимость не проявляется. Из сказанного следует, что поверхность подложки для ВТСП пленок не должна иметь капилляров, она должна быть либо оплавлена, либо уплотнена каким-либо иным способом [28].
При выборе материала пленки необходимо учитывать температурные коэффициенты расширения материалов пленки и подложки. Существенная разность этих параметров приводит к разрушению покрытия – ведь перепад температур достигает 100 К.
Ряд материалов подложки, загрязняя пленку, приводит к снижению ее критических параметров или даже к полному подавлению сверхпроводимости в азотном диапазоне (более 77 К). Так, ряд атомов ферромагнетиков (Fe, Ni и др.) отрицательно влияют на параметры ВТСП и, естественно, не могут присутствовать в материале подложки. Кроме ферромагнетиков, неблагоприятное воздействие на критические параметры оказывает присутствие Al, Si и ряда других элементов. Однако Al2O3 и SiO2 широко применяются в электронике. В связи с этим используют буферные подслои, разделяющие ВТСП пленку и такую подложку. В качестве подслоя используют пленки MgO, Ta2O3, LaF3, очень эффективен ZrO2. Толщина подслоя ≈ 20 нм. Ниже приведены результаты сравнения удельного сопротивления и ТС пленок Y-123 для различных подложек.
Таблица 2.4
Удельное сопротивление и тСпленокY-123
Подложки |
ρ, мОм*см (Т=100 К) |
ТС, К |
Al2O3 |
2,00 |
60 |
Al2O3+20 нм ZrO2 |
1,00 |
81 |
MgO |
0,65 |
≈ 70 |
ZrO2 (+9% Y= O3) |
0,40 |
83 |
SrTiO3 |
0,30 |
89 |
Для висмутсодержащих ВТСП пленок хорошие результаты дает использование MgO, особенно с добавлением серебра.
Установлено, что наиболее перспективными и для пленочных СВЧ устройств, являются подложки из алюминатов, например LaAlO3. Они обладают низким значением диэлектрической проницаемости (ε=26, 100 ГГц – 1 ГГц).
Очевидно, что выбирать материал подложки необходимо с учетом всего комплекса требований, предъявляемых к устройству криоэлектроники.