基于LSAT衬底YBa2Cu3O7-δ台阶结的射频高温超导量子干涉器的制备和表征

基于 YBa2Cu3 O7 -δ (YBCO) 台阶边沿型约瑟夫森结( 台阶结) 的高温超导量子干涉器(Superconducting Quantum Interference Device, 简称 SQUID) 在微弱磁场测量等领域具有重要应用价值. 制 备 YBCO 台 阶 结 及SQUID 的常用单晶衬底包括 LaAlO3 (LAO) 、SrTiO3 (STO) 及 MgO 等. (La0 .3 ,Sr0 .7 ) (Al0 .65 ,Ta0 .35 )O3 (LSAT) 没有孪晶现象、 与 YBCO 的晶格失配度很小(仅为0.4% ) , 有潜力成为制备 YBCO 台阶结及相应的高温超导 SQUID器件的新的衬底选择. 本文首次探索研究了 LSAT 衬底上 YBCO 台阶结型射频超导量子干涉器(rf SQUID) 的制备和表征. 采用氩离子束刻蚀技术在 LSAT(100) 衬底上制备角度约为46°的台阶, 利用脉冲激光沉积法在衬底上生长 YBCO 超导薄膜, 然后利用传统紫外光刻技术制备出高温超导rf SQUID 器件. 在温度为77 K 时, 器件测试观察到幅度较大的电压-磁通特性曲线, 且在部分器件的特性曲线中观察到接近方波的非传统波形, 表明器件工作于噪声较低的色散模式下. 频率1 kHz 时器件的磁通噪声约为20 μΦ0/Hz1/2 , 与文献中报道的 LAO、STO 衬底上台阶结型SQUID 器件的典型结果相当. 本工作展示了利用 LSAT 衬底制备低噪声台阶结型rf SQUID 器件的可行性, 并为进一步研制该衬底上更高性能的高温超导SQUID 器件奠定了基础     

低噪声SQUID模拟器

我们研制了用于SQUID线路研制与调试的低噪声宽频响多周期SQUID模拟器 .模拟器的等效磁通白噪声为 0 .7×1 0 -6Φ0 /Hz,完全可以满足SQUID线路的调试要求 .     

具有Washer型输入线圈的超导量子干涉放大器的制备与表征

超导量子干涉仪(SQUID)放大器具有低输入阻抗、低噪声、低功耗等优点, 目前被广泛用于微弱信号的检测领域. 与其他工艺相比, Nb/Al-AlO_x/Nb结构的约瑟夫森结具有相对较高的转变温度(T_c)、高的磁通电压调制系数以及良好的热循环能力、较宽的临界电流范围, 因此是制备SQUID放大器的很好选择. 设计并制作了欠阻尼、过阻尼约瑟夫森结以及具有Washer型输入线圈的单SQUID放大器, 通过在He³制冷机3 K温区下对器件电流-电压特性进行测量, 得到良好的结I-V特性曲线、SQUID调制特性, 初步实现利用SQUID进行放大作用, 并计算了SQUID的电流分辨率. 此项工作对于超导转变边沿传感器读出电路的实现具有重要的意义.     

低噪声超导量子干涉器件磁强计设计与制备

超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)作为一种极灵敏的磁通传感器,在生物磁探测、低场核磁共振、地球物理等领域得到广泛应用.本文介绍了一种基于SQUID的高灵敏度磁强计,由SQUID和一组磁通变压器组成. SQUID采用一阶梯度构型,增强其抗干扰性.磁通变压器由多匝螺旋的输入线圈和大尺寸单匝探测线圈组成,其中输入线圈与SQUID通过互感进行磁通耦合.利用自主工艺平台,在4英寸硅衬底上完成了基于Nb/Al-AlO_x/Nb约瑟夫森隧道结的SQUID磁强计制备.低温测试结果显示,该磁强计磁场灵敏度为0.36 nT/Φ_0,白噪声段磁通噪声为8μΦ_0/√Hz,等效磁场噪声为2.88 fT/√Hz.     

高温超导YBCO颗粒膜桥型器件的8mm微波视频检测

在高温超导YBa2 Cu3O7-δ颗粒膜上刻成 0 .3× 0 .1mm2 的桥型样品 ,测量了它在 8mm微波辐照下的响应特性 .实验结果表明 :通过优化器件参数 ,响应率可达 10 4 V/W ,在T =70K时噪声等效功率为 5.2× 10 - 1 4 W /Hz1 / 2 ,当入射微波斩波频率为 50 0kHz时响应时间低于 3.9× 10 - 8s .     

MgO衬底上YBa2Cu3O7-δ台阶边沿型约瑟夫森结的制备及特性

MgO衬底上的YBa2Cu3O7-δ(YBCO)台阶边沿型约瑟夫森结(台阶结)在高灵敏度高温超导量子干涉器(superconducting quantum interference device,SQUID)等超导器件研制方面具有重要的应用价值和前景.本文对此类YBCO台阶结的制备和特性进行了研究.首先利用离子束刻蚀技术和两步刻蚀法在MgO(100)衬底上制备陡度合适、边沿整齐的台阶,然后利用脉冲激光沉积法在衬底上生长YBCO超导薄膜,进而利用紫外光刻制备出YBCO台阶结.在结样品的电阻-温度转变曲线中,观测到低于超导转变温度时的电阻拖尾现象,与约瑟夫森结的热激活相位滑移理论一致.伏安特性曲线测量表明结的行为符合电阻分路结模型,在超导转变温度TC附近结的约瑟夫森临界电流密度TC随温度T呈现出(TC-T)^2的变化规律,77 K时JC值为1.4×10^5 A/cm^2.利用制备的台阶结,初步制备了YBCO射频高温超导SQUID,器件测试观察到良好的三角波电压调制曲线,温度77 K、频率1 kHz时的磁通噪声为250μΦ0/Hz^1/2.本文结果为进一步利用MgO衬底YBCO台阶结研制高性能的高温超导SQUID等超导器件奠定了基础.     

掺TiNb3Sn超导性能改善机制研究

在 Nb/Cu 挤压管法制备的多芯 Nb_3Sn 超导复合线中添加合金元素 Ti 使其超导性能特别是在高场下的临界电流密度 J_c 得到显著改善.T_c 值提高约0.3K,H_(c2)(0)值提高到大约29Tesla,在4.2K_2 15T 和20T 脉冲背景磁场下(脉冲上升时间为10ms),J_c(Nb_3Sn)值分别达到4.4×10~4A/cm~2和3.3×10~4A/cm~2.在实验事实基础上,认为在低温下(<43K)掺适量Ti 元素的 Nb_3Sn 会发生部分马氏体相变,并用此观点结合磁通钉扎基本原理,对掺适量 Ti元素 Nb_3Sn 超导性能显著改善的事实进行解释,得到了一个改善掺适量 Ti Nb_3Sn 超导性能的可能机制.     

高Tc dc SQUID 1/f噪声的抑制

本文采用偏置电流反转的频率与磁通调制频率相等的方案,研制了带偏置电流反转的dc SQUID测试系统,明显降低了YBCO双晶结dc SQUID的1/f噪声.在3Hz处,磁通噪声由静态偏置时的降低到.1/f噪声的角频率从1kHz下降到3Hz.前放的设计,采用低噪声集成电路,整个磁通锁定环置于测试杆顶端,简化了电路,提高了测试系统的稳定性.在白噪声区,测得最低磁通噪声为 .前放的噪声系数为1.1dB.     

YBCO-SrTiO_3-YBCO多层薄膜超导线圈

采用射频磁控溅射在(100)SrTiO_3衬底上生长了 YBCO-SrTiO_3-YBCO 多层薄膜,并结合氩离子束刻蚀技术加工了线条宽10μm 共9匝的多层结构超导线圈,研究了总长约9.4mm宽10μm YBCO 线条的超导连通及超导连接和超导线条绝缘跨接的情况.线圈超导连通 T_c为82K,在77K 的 J_c 为5.4×10~4Acm~(-2),SrTiO_3绝缘层在77K 的电阻率为3.9×10~3Ωcm,基本可以满足薄膜磁通变换器中多匝输入线圈的工艺要求.     

超导量子干涉器件读出电路中匹配变压器的传输特性研究

在磁通调制超导量子干涉器件(SQUID)的读出电路中, 匹配变压器具有放大信号和阻抗匹配的功能, 是实现SQUID低噪声读出的关键元件. 利用模拟SQUID电路对匹配变压器进行性能测试, 研究了不同绕制匝数变压器的传输特性, 确定最佳绕制匝数比. 在变压器拾取SQUID电压信号的耦合网络中, 研究了不同电容对变压器传输特性的影响, 实现了变压器耦合网络参数的匹配和优化. 室温下匝数比为1:20的匹配变压器在匹配电容C=1μF时, 输出源电压增益为21.2, 带宽范围可达到210 kHz. 最后在基于磁通调制式DC SQUID读出电路中, 对匹配变压器的工作性能进行了评估与验证. 关键词： 超导量子干涉器件读出电路 匹配变压器 低噪声 传输特性     

高温超导YBCO颗粒膜桥型器件的8mm微波视频检测

在高温超导 YBCO颗粒膜上刻成 0 .3× 0 .1 mm2 的桥型样品 ,测量了它在磁场和微波辐照下的响应特性。实验结果表明 :通过优化器件参数 ,响应率可达 1 0 4V/ W,在 T=70 K时噪声等效功率约为 5.2× 1 0 -1 4 W/ Hz1 / 2 ,当入射微波斩波频率为 50 0 k Hz时 ,响应时间低于 3.9× 1 0 -8s。     

超导斩波器

本文介绍了超导斩波器的制作工艺及其主要性能,该斩波器的最佳工作频率为100—300Hz,灵敏度优于9×10~(-9)V.     

串联超导量子干涉器件阵列制备与测试分析

串联超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)阵列通过增加 SQUID 数量来达到提升信噪比的目的,即SQUID电压信号随SQUID数目比例增加而总电压噪声正比于SQUID数目的平方根值.本文介绍了利用自主工艺线进行串联SQUID阵列研究的相关研究进展,实现了SQUID数量分别为200和800的阵列集成,测试得到磁通噪声达到0.5 μΦ_0/Hz~(1/2)和输入电流灵敏度35 μA/Φ_0,等效输入电流噪声达到18 pA/Hz~(1/2).另外,还给出了阵列参数与集成SQUID数量的关系,验证了设计可靠性和工艺一致性.     

Nano-SQUID中方波脉冲测量方法对于临界电流的精确表征

Nano-SQUID因为具备可能探测到单电子自旋的能力而受到广泛关注.为进一步提高该器件的灵敏度,不但要优化器件制备工艺,而且也要发展低噪音高效率的测量系统.通常,由于nano-SQUID存在回滞现象,导致在测量方面nano-SQUID无法使用标准的SQUID读出电路.本文设计了一种全新的方波脉冲测量方法,由信号发生器串联一个大电阻发送电流脉冲,注入nano-SQUID,并采用ADWin数据采集卡读取器件两端的电压.该方法不仅可以消除电流—电压回滞现象带来的测量上的不便,而且可以通过缩短脉冲周期的方法进一步提高系统的测量速度.在此基础上,通过降低系统方波脉冲占空比ton:toff,增加超导器件因受到脉冲电流激发后的冷却时间,减小热噪音对临界电流准确测量的影响,从而获得准确的临界电流—磁通调制曲线,调制深度△Ic/Ic=7.9%.此外,本文对采用本测量方法的nano-SQUID磁通噪音表征方法进行了讨论,测得器件磁通噪声为72μΦ0/Hz1/2,等效磁性测量精度为1.19×10-16emu/Hz1/2.     

基于VO_2薄膜非致冷红外探测器光电响应研究

VO2 薄膜是非致冷微测辐射热红外探测器热敏电阻材料 .研究中应用微电子工艺制备了VO2 溅射薄膜红外探测器 ,在 2 96K的环境中测试了该探测器在不同的直流偏置、光调制频率下对 873K标准黑体源 8— 12 μm红外辐射的光电响应以及器件的噪声电压 ,在 10和 30Hz的调制频率下其响应率分别大于 17kV/W和接近 10kV/W .该探测器实现了探测率D 大于 1 0× 10 8cmHz/W ,热时间常量为 0 0 11s的 8— 12 μm非致冷红外探测     

基于dc SQUID直接读出磁通锁定环路仿真研究

直流超导量子干涉仪(dc SQUID)结合读出电路可以测量微弱磁场信号,设计合理可用的读出电路是弱磁检测的关键技术之一.在这项研究中,改善了磁通锁定环路(flux-locked loop,简称FLL),进行了基于dc SQUID直接读出FLL仿真,利用PSPICE可直观地仿真系统的动态特性,通过仿真研究了影响直接读出FLL性能的关键参数,这些参数包括偏置电流、结电容、结电阻和反馈电阻以及反馈回路对系统输出的影响,对于高性能的FLL设计具有很大的参考价值.     

高温氧化物超导体双孔RF-SQUID

一种由烧结的 YBCO 块材料制作的双孔 RF-SQUID,在77K 和4.2K 温度下都能显示出典型的外磁通调制特性并工作在锁定模式.在77K 下得到的等效磁通噪声在近直流端为2×10^-3φ_0/(H_z)^(1/2),在20—200Hz 范围内约 5×10^(-4)φo/(H_z)^(1/2).器件的特性显示出与液氦常规超导体 RF-SQUID 相类似.在液氮和空气中保存了一年以上并经历了数十次冷热循环后,器件的特性没有明显的变化.本文讨论了器件的设计、制作、临界电流的测定以及可能的应用等.     

YBC0颗粒膜Josephson微桥结的高频响应

在Aslamazov和Larkin给出的BSJ模型下电压时变方程无扰解的基础上,运用二阶微扰算法计算了Josephson结在高频辐射下的直流电压响应和阻抗.结果表明,辐射响应正比于辐射功率,并且根据Josephson固有频率w0是大于、等于、还是小于辐射频率w,可将响应分为三个特性频率区.当w大于或者小于w0时,响应可以用V-I特性参数表示.当w0w时,响应正比于V-I曲线的曲率.我们的实验表明,当w0>w时,响应正比于辐射功率和V-I特性曲线的曲率.所得到的等效噪声功率为NEP=2.45×10-14W/Hz1/2,明显优于常规的辐射热探测器.     

T1-1223超导体及其复Ag带的制备

研究了用部分熔化法制备Tl-1223超导体的工艺.样品的名义组成为(Tl_(0.5)Pb(0.5))(Sr_(0.8)Ba_(0.2))Ca_2Cu_3O_y。经熔化退火的样品,其磁化电流在77K和1T下大于2×10~4A/cm~2。用熔化—退火的超导粉作原料制得的复Ag带短样,J_c达1.6—1.7×10~4A/cm~2(77K,OT)。采用烧结后的超导粉作原料,在制备复Ag带的工艺中,如用熔化—退火的热处理制度,可以免除单轴压的冷加工工艺,这对长带的制备将带来很大的便利。     

YBCO颗粒膜Josephson微桥结的高频响应

在Aslamazov和Larkin给出的RSJ模型下电压时变方程无扰解的基础上 ,运用二阶微扰算法计算了Josephson结在高频辐射下的直流电压响应和阻抗 .结果表明 ,辐射响应正比于辐射功率 ,并且根据Josephson固有频率w0 是大于、等于、还是小于辐射频率w ,可将响应分为三个特性频率区 .当w大于或者小于w0 时 ,响应可以用V I特性参数表示 .当w0 w时 ,响应正比于 :(1 )直流特性曲线的斜率 .(2 )辐射频率的负二次方 .(3)本征Josephson振荡的电压幅值 .当w0 w时 ,响应正比于V I曲线的曲率 .我们的实验表明 ,当w0 w时 ,响应正比于辐射功率和V I特性曲线的曲率 .所得到的等效噪声功率为NEP =2 .45× 1 0 -1 4 W/Hz1 /2 ,明显优于常规的辐射热探测器 .