Реферат: 4. 2 Сверхпроводящий материал соединениеNb3Sn5

План.

1. Введение.

2. Физическая модель.

3.Математическое обоснование эффекта Джозефсона

3.1Туннельный эффект

3.2 Сверхпроводимость - макроскопическое квантовое явление

3.3 Стационарный эффект Джозефсона

3.4 Нестационарный эффект Джозефсона

4.Применение эффекта

4.1Магнитометры

4.2 Сверхпроводящий материал – соединениеNb3Sn5.

4.3 Получение переходов Джозефсона

5. Техническое воплощение

5.1 Сканирующий СКВИД- микроскоп

5.2 Лазерная СКВИД– микроскопия

5.3 Сверхпроводниковые квантовые интерферометры.

6. Нестационарный эффект Джозефсона в фундаментальных физических экспериментах


7.Вывод

8.Список литературы.


1. Введение
В 1911 г., проводя эксперименты по исследованию влияния примесей на остаточное сопротивление металлов, голландский физик Г. Камерлинг-Оннес обнаружил новое явление, полу­чившее название сверхпроводимости. Изучая зависимость со­противления ртути от температуры, он установил, что при очень низких температурах сопротивление образца обращалось в нуль. Сам по себе этот факт не казался неожиданным. Соглас­но существовавшим в то время представлениям, и как оказа­лось правильным, сопротивление очень чистых металлов опре­деляется движением атомов. Поэтому в чистых металлах сле­довало ожидать плавного уменьшения сопротивления до нуля при понижении температуры до 0К. Неожиданным, оказалось то, что исчезновение, сопротивления происходило скачком в температурном интервале в несколько сотых долей градуса. Как выяснилось впоследствии, такое «сверхпроводящее» со­стояние при низких температурах наблюдается примерно у по­ловины металлических элементов, большого числа металличе­ских соединений, у ряда полупроводников и оксидов.

Почти полвека обнаруженное Камерлинг-Оннесом явление оставалось загадкой. Микроскопическая теория сверхпроводи­мости была создана Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером только в 1957 г. Эта теория, получившая название тео­рии БКШ, достаточно сложна, и в рамках настоящей книги мы приведем лишь краткий обзор физических идей, лежащих в ее основе, а также основные результаты. Прежде, однако, целесообразно остановиться на обсуждении свойств сверхпроводимости, изученных в различных экспериментах.


^ 2.Физическая модель.


Эффект Джозефсона


протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона); предсказан на основе теории сверхпроводимости английским физиком Б. Джозефсоном в 1962, обнаружен американскими физиками П. Андерсоном и Дж. Роуэллом в 1963. Электроны проводимости проходят через диэлектрик (обычно плёнку окиси металла толщиной ~ 10 А) благодаря туннельному эффекту. Если ток через контакт Джозефсона не превышает определённого значения, называемого критическим током контакта, то падение напряжения на контакте отсутствует (так называемый стационарный Д. э., см. рис., в). Если же через контакт пропускать ток, больший критического, то на контакте возникает падение напряжения V, и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарный Д. э., рис., г). Частота излучения v связана с напряжением на контакте соотношением v = 2eV/h, где е — заряд электрона, h — Планка постоянная. Возникновение излучения связано с тем, что объединённые в пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают избыточную по отношению к основному состоянию сверхпроводника энергию 2eV. Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние — это излучить квант электромагнитной энергии hv = 2eV.

Аналогичный эффект наблюдается и в том случае, когда сверхпроводники соединены тонкой перемычкой (мостиком или точечным контактом) или между ними находится тонкий слой металла в нормальном состоянии. Такие системы вместе с контактами Джозефсона называют слабосвязанными сверхпроводниками. На основе Д. э. созданы сверхпроводящие интерферометры, содержащие две параллельно включённые слабые связи между сверхпроводниками. Особый, квантовый характер сверхпроводящего состояния приводит к интерференции сверхпроводящих токов, прошедших через слабые связи. При этом критический ток оказывается зависящим от внешнего магнитного поля, что позволяет использовать такое устройство для чрезвычайно точного измерения, до 8·10-7—8·10-8a/м (10-8—10-9э), магнитных полей. Имеются также возможности применения слабосвязанных сверхпроводников в качестве легко перестраивающихся в широком диапазоне частот маломощных генераторов, чувствительных детекторов, усилителей и др. приборов СВЧ- и далёкого ИК-диапазонов.


^ 3.Математическое обоснование.


Эффект Джозефсона.

Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящих куперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны между собой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар даже через очень тонкий слой изолятора.

Наличие связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз , тогда из законов квантовой механики следует . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера и могут отличаться только если между этими точками существует разность потенциалов . В этом случае:

(1)

Если сверхпроводники связаны между собой с одной стороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом . Учитывая, что квант потока и поток Ф через контур может быть лишь , где . Джозефсон предсказал, что:

, (2)

где – ток через контакт, – максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт, -- разность фаз.

Из (1), (2) следует:



Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, то сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади контура и может бать очень мала. Поэтому СКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.

Известны несколько типов джозефсоновских контактов, но наиболее распространены два: туннельный переход и переход типа мостик. Оба они представлены на рисунке 1.



Рисунок 1


^ 3.1Туннельный эффект.


Туннельный эффект - это типичная задача квантовой механики. Частица (например, электрон в металле) подлетает к барьеру (например, к слою диэлектрика), преодолеть который она по классическим представлениям никак не может, так как ее кинетическая энергия недостаточна, хотя в области за барьером она со своей кинетической энергией вполне могла бы существовать. Напротив, согласно квантовой механике, прохождение барьера возможно. Частица с некоторой вероятностью может как бы пройти по туннелю через классически запрещенную область, где ее потенциальная энергия как бы больше полной, то есть классическая кинетическая энергия как бы отрицательна. На самом деле с точки зрения квантовой механики для микрочастицы (электрона) справедливо соотношение неопределенностей (x - координата частицы, p - ее импульс). Когда малая неопределенность ее координаты в диэлектрике (dљ-љтолщина слоя диэлектрика) приводит к большой неопределенности ее импульса , а следовательно, и кинетической энергии p2/(2m) (m - масса частицы), то закон сохранения энергии не нарушается. Опыт показывает, что действительно между двумя металлическими обкладками, разделенными тонким слоем диэлектрика (туннельный переход), может протекать электрический ток тем больший, чем тоньше диэлектрический слой.

^ 3.2 Сверхпроводимость - макроскопическое квантовое явление

Для того чтобы перейти к описанию одного из самых ярких и практически важных явлений в физике сверхпроводников - эффектов Джозефсона, полезно вспомнить основные экспериментальные факты и сведения о природе сверхпроводимости.

При понижении температуры многие металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Этот переход происходит при вполне определенной для каждого материала температуре Tc , называемой критической. Сверхпроводимость характеризуется идеальной электропроводностью (сопротивление электрическому току равно нулю, если плотность тока меньше некоторой критической величины jc) и идеальным диамагнетизмом (индукция магнитного поля внутри сверхпроводника равна нулю, если ее значение снаружи меньше критического Вс).

В микроскопической теории сверхпроводимости важным моментом является объяснение достаточно сильного притяжения между двумя электронами, возникающего при поляризации кристаллической решетки. Два электрона с противоположными спинами и направлениями движения объединяются в пару, называемую куперовской (по имени американского ученого Л. Купера, впервые показавшего, что такие два электрона образуют связанное состояние). Эти пары обладают нулевым суммарным спином и поэтому являются бозе-частицами (то есть частицами, подчиняющимися статистике Бозе-Эйнштейна). Такие частицы обладают замечательным свойством: если температура ниже Тс , они могут скапливаться на самом нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии). Чем больше их там соберется, тем труднее какой-либо частице выйти из этого состояния. Для этого необходимо преодолеть энергетический барьер величиной 2 (по на каждый электрон в паре). Все частицы при этом описываются единой волновой функцией или, другими словами, когерентны. Характерное расстояние между двумя электронами в куперовской паре, называемое длиной когерентности , различно для разных сверхпроводников и может принимать значения 10-7-10-5љсм.

Таким образом, сверхпроводимость можно представить себе так. При Т < Тс электрический ток переносится куперовскими парами, то есть элементарными носителями тока с зарядом 2e (e - заряд электрона). При этом какой-либо частице совсем не просто рассеяться на примесном атоме или каком-либо другом дефекте кристаллической решетки металла, включая тепловые колебания ионов. Для этого ей нужно преодолеть сопротивление всех остальных подобных частиц.

Так как электрическое сопротивление равно нулю, то возбужденный в сверхпроводящем кольце ток будет существовать бесконечно долго. Электрический ток в этом случае напоминает ток, создаваемый электроном на орбите в атоме Бора: это как бы очень большая боровская орбита. Незатухающий ток и создаваемое им магнитное поле (рис. 1) не могут иметь произвольную величину, они квантуются так, что магнитный поток, пронизывающий кольцо, принимает значения, кратные элементарному кванту потока Вб (h - постоянная Планка).




Рис. 1.Незатухающий ток и создаваемое им магнитное поле не могут иметь произвольную величину, они квантуются так, что магнитный поток, пронизывающий кольцо, принимает значения, кратные элементарному кванту потока Вб (h - постоянная Планка).


В отличие от электронов в атомах и других микрочастиц, поведение которых описывается квантовой теорией, сверхпроводимость - макроскопическое квантовое явление. Действительно, длина сверхпроводящей проволоки, по которой течет незатухающий ток, может достигать многих метров и даже километров. При этом носители тока в ней описываются единой волновой функцией. Это не единственное макроскопическое квантовое явление. Другим примером может служить сверхтекучесть в жидком гелии или в веществе нейтронных звезд.


В 1962 г. Б. Джозефсоном теоретически были предсказаны эффекты слабой сверхпроводимости, получившие название эф­фектов Джозефсона, которые впоследствии были обнаружены и экспериментально. Эффекты Джозефсона, так же как и эф­фект квантования магнитного потока подтверждают, что сверх­проводимость является чисто квантовым эффектом, проявляю­щимся в макроскопических масштабах, и что между носителя­ми сверхпроводящего тока — куперовскими парами — суще­ствует жесткая фазовая корреляция.


Прежде чем переходить к первому эффекту Джозефсона, остановимся кратко на туннелировании электронов между двумя частями металла, разделенными тонким слоем диэлектрика.


^ 3.3 Стационарный эффект Джозефсона.


Джозефсон рассматривал частный случай туннельного эффекта - туннелирование куперовских пар - и предсказал существование двух эффектов. Первый из них состоит в том, что через туннельный переход с тонким слоем диэлектрика, когда его толщина меньше или порядка длины когерентности (), возможно протекание сверхпроводящего тока, то есть тока без сопротивления. Предсказывалось, что критическое значение этого тока будет своеобразно зависеть от внешнего магнитного поля. Если ток через такой переход станет больше критического, то переход будет источником высокочастотного электромагнитного излучения. Это нестационарный эффект Джозефсона, который мы рассмотрим позже.

Понадобилось немного времени, чтобы обнаружить эти эффекты экспериментально. Более того, вскоре стало ясно, что эффекты Джозефсона присущи не только туннельным переходам, но и более широкому классу объектов - сверхпроводящим слабым связям, то есть участкам сверхпроводящей цепи, в которых критический ток существенно подавлен, а размер участка порядка длины когерентности .

В основе эффектов Джозефсона лежат квантовые свойства сверхпроводящего состояния (см. выше). Действительно, сверхпроводящее состояние характеризуется когерентностью куперовских пар: эти пары электронов находятся на одном квантовом уровне и описываются общей для всех пар волновой функцией, ее амплитудой и фазой. Они когерентны как частицы света - фотоны в излучении лазера, которое также характеризуется амплитудой и фазой электромагнитной волны.

Представим теперь себе два массивных куска одного и того же сверхпроводника, полностью изолированных друг от друга. Так как оба они находятся в сверхпроводящем состоянии, каждый из них будет характеризоваться своей волновой функцией. Поскольку материалы и температуры одинаковы, модули обеих волновых функций должны совпадать, а фазы произвольны. Однако, если установить между ними хотя бы слабый контакт, например туннельный, куперовские пары будут проникать из одного куска в другой и установится фазовая когерентность. Возникнет единая волновая функция всего сверхпроводника, которую можно рассматривать как результат интерференции волновых функций двух половинок. Ниже будет показано, что сверхпроводники со слабыми связями дают уникальную возможность наблюдения фазы волновой функции в макроскопическом масштабе аналогично проявлению фазы электромагнитной волны в явлениях интерференции в оптике.

Следует заметить, что слабая связь между двумя сверхпроводниками - это просто удобный объект для обнаружения интерференционных эффектов. Однако такие эффекты были известны сравнительно давно. Один из ярких примеров - квантование магнитного потока и тока в сверхпроводящем кольце. Действительно, сверхпроводящий ток может принимать только такие значения, при которых на длине кольца может уложиться целое число длин волн волновой функции сверхпроводящих электронов, то есть при обходе по контуру кольца волновая функция в каждой точке попадает в фазу сама с собой. Еще раз видна полная аналогия с квантованием орбит в атоме Бора.

Как уже упоминалось, стационарный эффект Джозефсона состоит в том, что достаточно слабый ток ^ I (меньший критического тока слабой связи Ic) протекает без сопротивления, то есть на ней не происходит падения напряжения. Джозефсон получил следующее выражение для тока I:


(1)


где - разность фаз волновых функций по разные стороны слабой связи. В своей работе Джозефсон предсказал, что в области диэлектрической прослойки будут интерферировать когерентные токи, исходящие из обоих сверхпроводников, так же как световые волны от двух когерентных источников. Поэтому результирующий ток оказывается пропорциональным синусу разности фаз.

Через год после предсказания Джозефсона этот эффект проверил прямым экспериментом Дж. Роуэлл. В туннельных экспериментах такого рода, когда диэлектрическая прослойка очень тонка, основная трудность состоит в устранении контакта металлических обкладок из-за дефектов диэлектрика. Надо каким-то образом доказать, что наблюдаемый ток не является следствием тривиальных закороток, а действительно является туннельным током. Для этого Дж. Роуэлл поместил туннельный переход в магнитное поле, направленное вдоль плоскости барьера. Естественно, что магнитное поле не может влиять на закоротки и в этом случае ток практически не изменился бы. Однако даже очень слабое магнитное поле влияло на ток, причем совершенно нетривиальным образом.

Дело в том, что магнитное поле изменяет фазу волновой функции сверхпроводящих электронов. Поскольку в этом, пожалуй, наиболее ярко проявляется макроскопический квантовый характер сверхпроводящего состояния и эти явления продолжают оставаться в центре внимания и в настоящее время, рассмотрим их более подробно.



^ Нестационарный эффект Джозефсона.


Мы рассматривали явления на туннельном контакте двух сверхпроводников с тонкой диэлектрической прослойкой, когда через него пропускают ток, меньший или равный критическому. Теперь перейдем к случаю, когда ток превышает критический и на сверхпроводящем туннельном контакте появляется падение напряжения. Оказывается, приложение постоянного напряжения V приводит к тому, что такой переход начинает самопроизвольно генерировать переменный ток, частота которого w задается фундаментальным соотношением Джозефсона:


(3)


Эта формула имеет совершенно ясную интерпретацию. Действительно, если на туннельном переходе падает напряжение ^ V, то электроны в одной из металлических обкладок будут обладать потенциальной энергией, большей на eV, чем электроны в другой. В сверхпроводящей обкладке ток переносится куперовскими парами, суммарный заряд которых 2е, а избыточная потенциальная энергия 2eV. В результате туннелирования сквозь диэлектрик электрон попадает в другую металлическую обкладку и должен каким-то образом уменьшить свою энергию, чтобы перейти в равновесное состояние, в котором находятся остальные электроны. В обычном металле это произойдет вследствие возбуждения тепловых колебаний в кристаллической решетке. Путем таких столкновений избыточная энергия перейдет в тепло. Подобные столкновения приводят в металлах к электрическому сопротивлению, в сверхпроводнике же оно отсутствует. В нем куперовская пара не может отдать избыточную энергию решетке, пока эта энергия меньше 2 - энергии связи пары. Единственный выход - отдать избыточную энергию 2eV в виде кванта электромагнитного излучения .

Излучение электромагнитных волн при приложении к джозефсоновскому переходу напряжения происходит аналогично излучению света атомами. Электрон в атоме, обладая избыточной энергией (находясь в возбужденном состоянии), переходит на более низкий уровень энергии, также излучая квант света. Отличие в том, что электроны в атомах, как и в нормальных металлах, подчиняются статистике Ферми-Дирака и, если какое-либо состояние занято другим электроном, такой переход невозможен. Куперовские пары подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, и для них нижний уровень энергии всегда неограниченно свободен. В этом смысле они напоминают скорее когерентные фотоны в излучении лазера.

Частота джозефсоновской генерации довольно высока, отношение 2e/h численно равно примерно 500љМГц/мкВ. Поэтому, когда напряжение равно, скажем, миллионной доле вольта, частота излучения соответствует диапазону ультракоротких радиоволн (длина волны см). Надо сказать, что это излучение не так легко вывести из узкой щели между сверхпроводящими пленками, где оно генерируется. Да и мощность его очень мала. Поэтому экспериментальное обнаружение излучения Джозефсона было непростой задачей. Тем не менее спустя всего лишь два года после опубликования статьи Джозефсона оно было обнаружено в Харьковском физико-техническом институте низких температур учеными И.М. Дмитренко, В.М. Свистуновым и И.К. Янсоном.

Легче всего наблюдать нестационарный эффект Джозефсона косвенным образом - по особенностям на вольт-амперных характеристиках контактов.

Мы уже знаем, что, если через джозефсоновский переход пропускать ток, больший критического, напряжение на переходе и ток через него кроме постоянной составляющей будут иметь и переменную составляющую, частота которой определяется фундаментальным соотношением Джозефсона (3). Если теперь переход поместить во внешнее высокочастотное электромагнитное поле, то, если частота этого поля совпадает с частотой джозефсоновской генерации, должен возникнуть резонанс. Оказывается, он возникает не только при совпадении частот, но и когда частота джозефсоновской генерации кратна (в целое число раз больше) частоте внешнего поля. Действительно, вольт-амперная характеристика для усредненных значений тока и напряжения имеет вид ступенчатой кривой (см. рис. 5). Расстояния по напряжению между ступеньками в точности равны . На возможность наблюдения таких ступенек указывал в своей работе Джозефсон, а обнаружены они были впервые американским ученым Шапиро, что явилось первым доказательством существования нестационарного эффекта Джозефсона. Эти ступеньки так и называются - ступеньки Шапиро.



Рис. 5.Вольт-амперная характеристика джозефсоновского перехода: а - без внешнего высокочастотного электромагнитного поля, б -љвысокочастотное поле включено



4.1 Магнитометр
Магнитометр - прибор на основе джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов: на постоянном токе и переменном. Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока.



Рисунок 2

Если к такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться из постоянного тока в и складываться в . Тогда максимальный ток кольца зависит от магнитного потока и равен:

,

где – ток кольца, – квант потока, – захваченный поток.

При этом

,

где – сопротивление перехода, – индуктивность кольца.

U – достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электронными приборами.



Рисунок 3

Левая часть рисунка 3: ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя джозевсоновскими переходами. Правая часть рисунка 3: Зависимость от внешнего потока, где – число квантов потока пронизывающих контур.

Техническая реализация магнитометров на СКВИДе на постоянном токе с 2-мя тунельными переходами представлена на рисунке 4.

Контур СКВИДа образован цилиндрической пленкой из Pb нанесенной на кварцевый цилиндр длинной 18 мм с наружным диаметром 8мм, а внутренним 6мм. Описанная здесь конструкция является датчиком включенным в электрическую схему, обеспечивающую измерение и индикацию отклика датчика на изменение внешнего магнитного поля. Такая система представляет собой магнитометр.
^ 4.2 Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn
Соединение Nb3Sn имеет и при 4,2 К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым полям , так и к изменению больших полей . Соединение имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:



Рисунок 4

Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллической решетке.

Соединение Nb3Sn хрупко и изделие из него не могут бать получены обычным металлургическим путем, т.е. выплавкой с последующей деформацией. Массивные изделия из этого соединения: цилиндры, пластины и т.д. получают, как правило, металлокерамическим методом, т.е. смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова, прессуя изделия нужной формы и нагревая их до температуры образования химического соединения Nb3Sn, обычно в интервале .

^ 4.3 Получение переходов Джозефсона

Туннельные переходы Джозефсона представляют собой две тонкие сверхпроводящие пленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. Рассмотрим некоторые из методов получения переходов с диэлектрическим барьером. На тщательно очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверхпроводящего соединения толщиной в несколько тысяч ангстрем.

Нанесение первой пленки осуществляется путем катодного распыления. Схема установки представлена на рисунке 5.



Рисунок 5

Где:

Катод

Распыляющий газ

К вакуумному насосу

Держатель с подложкой

Постоянное напряжение 4 кВ

ВЧ – генератор 3-300 МГц

Газовый разряд при низком давлении можно возбудить высокочастотным электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, содержащим аргон, возникает тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы, разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распыляя сплав. Вылетающие с катода атомы осаждаются на подложке. В такой системе были достигнуты скорости осаждения до . При смещении на катоде – мишени 500В.

Для высокочастотного катодного распыления Nb3Sn необходим вакуум перед распылением 10-4Па, температура подложки , чистота напускаемого аргона 99,999%, его давление менее 1Па.

Для качества туннельного перехода большое значение имеет структура пленки. В напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическая решетка, и в них, как правило со временем происходят структурные изменения: течение дислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшить свойства туннельного перехода (например возникнуть закоротки).

Одним из способов устранения этих нежелательных явлений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их структуру. Так пленки образующие туннельный переход получались последовательным напылением In (49нм), Au (9нм), Nb3Sn (350нм) для нижнего электрода и Nb3Sn (300нм), Au(5нм), Nb3Sn(200нм) для верхнего электрода. После этого пленки выдерживались при температуре 75ОС в течении 2ч., что приводило к стабилизации свойств перехода.

Следующим важным этапом получения туннельного перехода является образование барьерного слоя, как правило, это слой окисла на поверхности первой пленки. Свойства туннельного перехода и его срок службы определяется прежде всего качеством барьерного слоя. Этот слой должен быть плотным, тонким (2нм), ровным, не иметь пор и не меняться со временем при температурном циклировании.

Наиболее удачный метод приготовления туннельных барьеров состоит в окислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода. Подложка с пленочным электродом крепится к катоду разрядной камеры. Сначала поверхность пленки очищают от естественного окисления путем ВЧ катодного распыления в атмосфере аргона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу после этого аргон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной смесью и зажигается разряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на пленке, находящейся в разряде, образовался слой окисла необходимой толщины. Для получения туннельных барьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать разряд мощностью 0.003-0,1 Вт/мм2 в течении 10-20 мин.

Применяют туннельные переходы с барьером из полупроводника. В качестве материала барьера используется различные полупроводники: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs и другие.

Основной метод нанесения полупроводникового барьера – распыление. Однако в напыленном слое полупроводника имеется много отверстий и пустот, наличие которых способствует появлению закороток в переходе. Для устранения этого недостатка после напыления барьера переход подвергается окислению. В результате закоротки действительно не возникают, но свойства барьера при это ухудшаются: уменьшается максимальная плотность тока, величина емкости увеличивается.

Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковым барьером, получаются, когда барьер представляет собой монокристалл. Такие переходы реализованы не созданием барьера на сверхпроводящей пленке, а наоборот, нанесением пленки на обе стороны тонкой монокристаллической п/п мембраны из Si. Известно, что скорость травления монокристаллического Si перпендикулярно плоскости (100) в 16 раз больше чем в направлении плоскости (111). В результате этого в пластине Si, поверхность которого параллельна (100), при травлении небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуются ямки. Боковые стенки ямки образуют плоскости (111) под углом к поверхности. Таким образом, размер дна ямки , т.е. размер мембраны определяется соотношением , где – размер открытого незащищенного участка поверхности, – глубина ямки.

Чтобы получить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либо образом автоматически остановить травление. Это достигается с помощью легирования бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равную необходимой толщине мембраны. Скорость травления быстро падает, когда достигается слой Si с концентрацией бора, равной , и полностью останавливается при . Таким образом были получены мембраны толщиной 40-100 нм. Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие переход.

В случае последовательного напыления: сверхпроводящая пленка – барьер – сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанести методом катодного распыления.

Готовые переходы защищают от влияния атмосферы слоем фоторезиста. Для получения воспроизводимых туннельных систем необходимо, чтобы между операциями пленка не подвергалась воздействию атмосферы т.к. адсорбция газов на поверхности пленок может вызвать неконтролируемое изменение характеристик перехода.
^ 5 Техническое воплощение 5.1 Сканирующий СКВИД- микроскоп
Рассмотрим сканирующий СКВИД- микроскоп на примере ССМ-77- СКВИД микроскопа, разработанного и изготовленного на физическом факультете МГУ при сотрудничестве с ИЗМИРАН в 1994 г. Этот микроскоп является единственным в России действующим макетом сканирующего СКВИД-микроскопа, относящегося к классу устройств, позволяющих получать изображения распределения магнитного поля над поверхностью исследуемого объекта с пространственным разрешением от единиц микрометров до нескольких миллиметров и чувствительностью от десятков наноТесла до долей пикоТесла. В сканирующем СКВИД-микроскопе образец перемещается в плоскости X-Y относительно СКВИДа, при этом СКВИД измеряет нормальную к поверхности образца компоненту магнитного поля Вz. Во время сканирования выходной сигнал СКВИДа регистрируется в зависимости о