基于高温超导单晶材料的大尺寸约瑟夫森本征结制备工艺研究

基于高温超导单晶材料Bi2Sr2CaCu2O8+x(BSCCO)的约瑟夫森(Josephson)本征结器件制备工艺,成功制备出形貌整齐、特性良好、一致性高的大尺寸太赫兹辐射源本征结器件.从工艺的各个步骤出发,总结了要点,并对原有工艺做出改进.通过扫描电子显微镜观察刻蚀形貌,总结了光刻最佳后烘温度条件,提出了一套重复性好、成功率高的工艺方法.     

TlBaCaCuO双晶结太赫兹混频检测器特性研究

铊钡钙铜氧(TlBaCaCuO)材料相比钇钡铜氧(YBaCuO)来讲,具有基本不与水气发生反应,稳定性高的优点.我们制备了TlBaCaCuO双晶结,用其代替YBaCuO双晶结进行了太赫兹信号的混频检测.对TlBaCaCuO与YBaCuO双晶结的R~T特性、超导临界电流、正常态电阻、特征电压等参数进行了比较,给出了两种双晶结在空气中的退化程度随时间的关系.TlBaCaCuO双晶结显著提高了高温超导太赫兹检测器的稳定性和使用寿命.     

高温超导量子干涉器中的约瑟夫森结

超导量子干涉器(SQUID)是以约瑟夫森结为核心元件的极其灵敏的磁通-电压转换器.在最近20年间,超导电子学界利用多种铜氧化物高温超导材料,制造出了高温超导约瑟夫森结乃至高温超导量子干涉器(高TcSQUID);特别是,利用YBa2Cu3O7-δ(YBCO)制出了多种高温超导约瑟夫森结,并进而制成了具有一定实用性的高TcSQUID.文章主要是对高TcSQUID中所使用的高温超导约瑟夫森结进行评述.     

电子束曝光制备YBa_2Cu_3O_(7-δ)纳米级桥宽双晶结

传统的紫外线曝光难以制备微桥宽度不超过1微米的双晶约瑟夫森结.我们利用电子束曝光技术制备了纳米级别(几百纳米)桥宽YBa_2Cu_3O_(7-δ)双晶结,具有优良的电流-电压特性和微波响应特性.并分析60K温度下100纳米膜厚的双晶结微桥宽度的变化对结正常态电阻R_N、超导临界电流I_c、特征电压I_cR_N的影响规律.通过考虑结与外部微波电路的阻抗匹配、结检测太赫兹波灵敏度、超导电流大小对高次微波响应台阶影响以及结的特征电压四个因素,得到最佳的太赫兹波检测器中双晶结的微桥宽度为1微米左右.     

嵌入Fabry-Perot谐振腔的高温超导双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性研究

采用嵌入Fabry-Perot谐振腔的方式,研究了Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)高温超导薄膜双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性.重点研究了双晶约瑟夫森结与Fabry-Perot谐振腔的耦合特性,发现放置在谐振腔中的结的位置、角度、结的图形以及Fabry-Perot谐振腔中两镜面间的距离等对耦合都有很大的影响.通过精细调节这些参数,可使双晶约瑟夫森结与外加毫米波达到最佳耦合.在最佳耦合情况下,能观察到9级明显的夏皮罗台阶.利用Fabry-Perot谐振腔技术,解决了约瑟夫森结与毫米波的耦合问题,为高温超导约瑟夫森结的毫米波及太赫兹波的辐射和检测研究奠定了基础.     

高温超导双晶结混频器噪声系数测量

噪声系数(Noise Figure,NF)是超导混频器的一个重要参数,是衡量超导混频器内部噪声、影响混频器灵敏度的一个重要指标.实验基于小型脉冲管制冷系统,搭建高温超导约瑟夫森双晶结混频器噪声系数自动测量系统,工作温度为60K.Ar离子刻蚀工艺技术制备高温超导YBa2Cu3O7-δ(YBCO)/MgO约瑟夫森双晶结,通过Y-因子噪声测量法,测量YBCO/MgO约瑟夫森双晶结混频器的噪声系数.实验成功制备了特征电压约1mV的YBCO/MgO约瑟夫森双晶结,在650GHz信号辐照下,有明显的夏皮罗(Shapiro)台阶.在210GHz信号辐照下,进行30次谐波混频,约瑟夫森双晶结在不同偏置电压点中频输出信噪比变化范围约为30dB.在77K与300K不同输入噪声功率下,测得双晶结混频器噪声系数最小值为10dB,偏置电压在300μV.     

聚酰亚胺在MgB2约瑟夫森结制备中的应用

MgB_2超导材料由于其优异的超导性能和电学参数,是制作超导集成电路的理想材料之一。制备基于MgB_2超导薄膜的高质量约瑟夫森结是超导电子学应用的关键。以聚酰亚胺(PI)为抗蚀层,在MgB_2超导薄膜上实现微米量级的图形线条制作,以此工艺为基础,结合MgB_2超导薄膜的气相化学沉积和晶型B介质层沉积方法,制作了基于MgB_2超导材料的约瑟夫森纵向结阵列,并测试了相应结的约瑟夫森效应。     

高温超导约瑟夫森结太赫兹混频系统

在小型脉冲管制冷机（工作温度约60 K）上搭建了高温超导约瑟夫森结太赫兹谐波混频系统,并采取了一系列措施增强结与太赫兹波的耦合。所采取的措施主要有:研究不同基片对结的影响并最终选择MgO做为双晶结基片,设计平面周期对数天线,同时使用一个超半球硅透镜和两个离轴抛物面反射镜组成准光学系统。最终成功在小型脉冲管制冷机中获得结对623 GHz太赫兹波的响应,并且成功进行24次谐波混频实验。     

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.     

高温超导技术在微磁传感器中的应用与发展

磁传感器在诸多领域有着广泛的应用,而随着高温超导技术的快速发展,将高温超导材料应用于磁信号测量成为超导材料应用的一个重要领域。文章探讨了高温超导材料在微弱磁场测量方面的主要应用,介绍了三种在微弱磁场测量方面能达到或有希望达到f T量级的传感器。其中包括:基于约瑟夫森结效应的超导量子干涉器(SQUID),基于超导零电阻效应的巨磁电阻(GMR)磁传感器和由文章作者所在的实验室提出的巨磁阻抗(GMI)/超导复合磁传感器。文章重点介绍了GMI/超导复合磁传感器,并对此传感器在结构和应用方面的最新进展进行了说明。     

转角铜氧化物中的约瑟夫森效应

当前常压下超导转变温度最高的材料仍然来自铜氧化物家族.然而,铜氧化物超导的微观机理仍未被完全建立起来,成为了凝聚态物理领域最具挑战性的问题之一.测定配对波函数的相位部分是全面理解高温超导机理不可或缺的一环.该实验往往需要将不同晶向的铜氧化物拼接成高质量的约瑟夫森结,十分考验样品的合成制备技术.近年来,利用二维材料中发展起来的范德瓦耳斯堆垛技术,研究者们构建了具有原子级平整界面的转角铜氧化物双晶结,研究了不同掺杂浓度、不同转角下的约瑟夫森隧穿,探索了其中出现s波、d波、以及由于界面耦合演生出的d+id波配对的可能性.本文将回顾转角铜氧化物约瑟夫森结的研究进展,介绍近年来发展起来的转角结制备技术,讨论当前实验测量的结果及其意义,提出尚待解决的关键性问题.     

约瑟夫森结与阵列的非线性混沌行为及研究进展

约瑟夫森结是一种利用超导材料制备的新型量子电子器件,它的一个显著特性是具有高度的非线性,因而会出现明显的混沌行为。约瑟夫森结与阵列的混沌行为具有重要的研究和应用价值,受到了广泛的关注。文中对约瑟夫森结与阵列的非线性混沌行为及研究进展做一些介绍。     

并联电阻对串联约瑟夫森结阵列相位锁定的影响研究

利用约瑟夫森结阵列制作毫米/亚毫米微波源的一个重要问题是阵列中约瑟夫森结的相位锁定.本文采用仿真的方法研究了约瑟夫森结RCSJ模型存在并联电阻时的相位锁定问题.研究结果包括约瑟夫森结临界电流的不一致性、McCumber参数和结的个数对能够实现相位锁定的参数范围的影响.结果对于约瑟夫森结阵列作为太赫兹产生和检测应用具有重要意义.     

第二讲 高温超导约瑟夫森结技术及其应用

高温超导约瑟夫森结技术近年来发展很快，特别是台阶结、双晶结、双外延结、边缘结和邻近效应结等性能已达到实用水平，并应用于超导量子干涉器件、数字信号处理和高频有源器件中。文章介绍了这些结的技术和有关的应用。     

高温超导约瑟夫森结技术及其应用

高温超导约瑟夫森结技术近年来发展很快，特别是台阶结、双晶结、双外延结、边缘结和邻近效应结等性能已达到实用水平，并应用于超导量子干涉器件、数字信号处理和高频有源器件中。文章介绍了这些结的技术和有关的应用。     

高温超导双晶约瑟夫森结阵列毫米波相干辐射

研究了嵌入Fabry-Perot谐振腔的高温超导双晶约瑟夫森结阵列毫米波相干辐射的实验结果.相干辐射是通过约瑟夫森结阵列与基片(作为一个介质谐振器)和Fabry-Perot(FP)谐振器的共同作用实现的.由166个高温超导双晶约瑟夫森结串联阵列在77 K温度下产生的相干辐射,辐射峰的中心频率为75.84 GHz,功率大约为10 pW. 关键词： 高温超导薄膜 Fabry-Perot谐振腔 约瑟夫森结 毫米波辐射     

高温超导约瑟夫森结阵列的相位锁定

根据交流约瑟夫森效应,研究了嵌入Fabry-Perot谐振腔里的约瑟夫森结阵列在微波辐照下的相位锁定问题。结阵列是由生长在双晶钇稳定氧化锆(YSZ)基片上的YB2Cu3O7(YBCO)超导薄膜光刻成微桥得到的。通过优化设计,在温度为79.2K辐照频率为77.465GHz的条件下,包含620个串联约瑟夫森双晶结的结阵列在外加微波辐照下实现了相位锁定,得到了陡峭的夏皮罗台阶。其第一级夏皮罗台阶的电压约为0.1V,台阶高度约为0.17mA。试验结果表明,这种结阵列结构在电压基准的应用上有极大的优势,而且这种准光学耦合方法在太赫兹信号发生和检测方面有很好的应用前景。     

高温超导YBa_2Cu_3O_(7-δ)双晶约瑟夫森结的输运特性随晶界角的变化

高温超导双晶约瑟夫森结在超导电子器件方面具有重要应用,对其输运特性的研究对理解高温超导的d波对称性也有重要意义.我们在晶界角分别为24°、30°和36°的SrTiO_3对称双晶衬底上,利用脉冲激光沉积方法生长了YBa_2Cu_3O_(7-δ)高温超导薄膜,进而利用紫外曝光和离子刻蚀制备了YBCO双晶约瑟夫森结,测量了其输运特性随晶界角的变化.在结样品的超导转变曲线中观测到由双晶晶界引起的电阻拖尾现象,按热激活相位滑移理论对其的分析表明,随着晶界角的增大,YBCO双晶结可能从S-N-S型转变为S-I-S型结.通过伏安特性曲线的测量确定了结的约瑟夫森临界电流Ic、临界电流密度Jc及正常态电阻Rn等特性参数随晶界角的变化,发现近似有标度关系I_cR_n∝J_c~(0.6).随着晶界角的增大,我们观测到Jc随温度下降从单调增加转变为非单调变化,在10K~20K和30K~40K之间出现局部极小值,分析表明这一现象很可能与由YBCO超导能隙的d波对称性所导致的结界面处隙间态的出现相关.     

基于拓扑绝缘体纳米线约瑟夫森结的反常临界超流增强和半整数夏皮洛台阶

基于拓扑绝缘体材料的约瑟夫森结是寻找马约拉纳零能模的候选器件,因而受到拓扑量子计算研究领域的关注.这方面实验的关键之一,是制备具有优质结区的约瑟夫森器件.本工作在三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃和Bi₂(Se_xTe_1-x)₃纳米线上制作了约瑟夫森结器件,研究了其结区的超导邻近效应、多重安德列夫反射和超流-相位关系,观测到了约瑟夫森结的临界超流随磁场增大而反常地增大、其交流约瑟夫森效应出现半整数的夏皮洛台阶的实验结果.本文还讨论了这些反常现象的可能来源,特别是与结区界面处超导电极的Ti缓冲层和拓扑绝缘体纳米线中的Te元素形成TiTe铁磁性合金层的关系.     

日本科学家研制出太赫兹探测器

检测太赫兹（THz）辐射是一件非常麻烦的事。太赫兹波适用于各种成像应用，因为太赫兹波与许多材料都不会发生强烈的相互作用。但是，如果太赫兹波不被吸收，将不会被检测到。日本的研究人员演示了一种直接检测超导隧道结的太赫兹探测器。其灵敏度高、波段宽，可缩放到任何的阵列规格。