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.     

基于双晶退火衬底的高温超导纳米量子干涉仪在液氦液氮温区下的输运特性

超导纳米量子干涉器件是近年来发展起来的一种新型超导器件, 通过现代微纳加工技术将其超导环缩小到纳米尺寸, 构成高度灵敏的微观自旋探测器, 理论上可以达到测量单电子自旋的灵敏度. 同时, 高温超导由于具有较高的临界温度和上临界场也备受关注. 然而, 相比于低温超导量子干涉器件, 高温超导量子干涉器件的1/f 噪声更加显著, 这限制了其在低频下的应用. 本文基于双晶衬底技术, 通过聚焦离子束加工制备高温超导纳米量子干涉仪, 并对其在液氦和液氮温区下的电学性能、4.2 K 下的磁通噪声进行表征. 实验发现, 通过预先退火处理钛酸锶双晶衬底, 可以有效改善衬底表面的粗糙度, 进而优化高温超导纳米量子干涉仪的1/f 磁通噪声. 最终得到低频下(1 Hz)的磁通噪声灵敏度为4.9 μΦ0/Hz1/2 , 比未事先预处理的小一到两个数量级, 这对于推进高温超导纳米量子干涉器件在低频下的应用意义重大.     

含有两个约瑟夫森结的射频SQUID的本征磁通噪声

我们研究了双结射频超导量子干涉器件（rf SQUID）的含时特性，给出了总磁通的动力学方程，并分析了在回滞模式和非回滞模式下的本征磁通噪声。结果显示：两个结的临界电流差别越大则越有助于获得小的本征噪声，在这种情况下，双结rf SQUID的本征磁通噪声会比单结rf SQUID的噪声稍大，但不超过一个数量级。     

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.     

超导量子干涉器件

超导现象是一种宏观量子现象.磁通量子化和约瑟夫森效应是两个最能体现这种宏观量子特性的物理现象.超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是利用这两个特性而形成的超导器件.SQUID器件在磁信号灵敏探测方面具有广泛的应用.本文简要介绍低温超导和高温超导SQUID器件的相关背景和发展现状以及应用领域.     

液氮下工作的薄膜biPbSrCaCuO dc SQUID

利用电阻加热、单源混合分层蒸镀方法制备的 Bi PbSrCaCuO 超导薄膜,研制成功带双桥结的单圆孔的直流超导量子干涉器(dc SQUID).这些 dc SQUID 在78K 呈现出完全的周期性磁通响应的电压特性.在无屏蔽条件下,0—1Hz 频率范围内,78K 的磁通噪声的典型值为1.7×10~(-3)φ_0/(Hz)~(1/2),相应的能量分辨率为3.6×10~(-26)J/Hz.同时,我们发现了无偏置电流下的可以锁定的磁通响应的电压二次谐波现象,此现象尚未理解清楚,但它与 dc SQUID的 I—V 特性形状有密切关系,并对其进行了探讨.     

大有效面积的高Tc rf SQUID

设计和制作了一种新型结构的高Tc rf SQUID探头.在使用高温超导薄膜共面谐振器作为射频谐振回路的情况下,采用了大面积高温超导薄膜作磁聚焦器.这种结构既有利于得到低的磁通白噪声,又可加上大面积聚焦器以增大有效面积,因而容易得到高的磁场灵敏度.实验中在15 mm×15 mm的衬底上得到了有效面积为1.27 mm2,在磁通噪声为2.1×10-5φ0/Hz时,磁场灵敏度为34fT/Hz.该结构易于推广应用到更高频率的高Tc rf SQUID.     

钛酸锶衬底表面改性对YBCO高温超导薄膜性能的影响北大核心CSCD

YBa_2Cu_3O_(7-x)(YBCO)高温超导材料在高温高场中具有比较高的临界电流密度,因此具有较好的应用前景.通过研究YBCO高温超导薄膜,以提高它的载流能力和超导性能是市场应用的迫切需要.文中所研究的钛酸锶(SrTiO_3)衬底,作为一种钙钛矿结构,不仅具有良好的化学和热稳定性,而且与YBCO高温超导薄膜具有较小的晶格失配度.通过酸腐蚀法和无酸腐蚀处理钛酸锶SrTiO_3(100)(STO)衬底,运用原子力显微镜观察了两种衬底处理方法对钛酸锶衬底表面结构的影响.并在其上用三氟乙酸盐金属有机沉积法(TFA-MOD)制备出临界密度达到约2.50~3.00 MA/cm^2的YBCO高温超导薄膜.通过四引线法表征YBCO高温超导薄膜的Tc达到了均约93K.通过扫描电子显微镜(SEM)分析了衬底处理技术的不同对其表层生长的YBCO高温超导薄膜形貌的影响.通过X射线衍射仪(XRD)固定方位角法表征了不同的衬底处理技术对薄膜内的残余应力的影响.     

钛酸锶衬底表面改性对YBCO高温超导薄膜性能的影响

YBa_2Cu_3O_(7-x)(YBCO)高温超导材料在高温高场中具有比较高的临界电流密度,因此具有较好的应用前景.通过研究YBCO高温超导薄膜,以提高它的载流能力和超导性能是市场应用的迫切需要.文中所研究的钛酸锶(SrTiO_3)衬底,作为一种钙钛矿结构,不仅具有良好的化学和热稳定性,而且与YBCO高温超导薄膜具有较小的晶格失配度.通过酸腐蚀法和无酸腐蚀处理钛酸锶SrTiO_3(100)(STO)衬底,运用原子力显微镜观察了两种衬底处理方法对钛酸锶衬底表面结构的影响.并在其上用三氟乙酸盐金属有机沉积法(TFA-MOD)制备出临界密度达到约2.50~3.00 MA/cm~2的YBCO高温超导薄膜.通过四引线法表征YBCO高温超导薄膜的Tc达到了均约93K.通过扫描电子显微镜(SEM)分析了衬底处理技术的不同对其表层生长的YBCO高温超导薄膜形貌的影响.通过X射线衍射仪(XRD)固定方位角法表征了不同的衬底处理技术对薄膜内的残余应力的影响.     

阻尼型高温直流超导量子干涉器磁强计的设计

理论分析了超导环路与一个电阻并联结构的直流超导量子干涉器(dc-SQUID)的特性.给出了这种阻尼型dc-SQUID的电压噪声谱密度、传输函数和磁通噪声谱密度随偏置电流变化的曲线.与无阻尼型高温器件比较，调制参量β大于1的阻尼型高温dc-SQUID磁强计具有高稳定性和易调试等优点.当β大于4时，因传输函数的增大，阻尼型dc-SQUID还能降低它的磁通噪声谱密度从而提高磁强计的检测灵敏度.根据现有高温超导薄膜器件的工艺条件，设计了β等于4的阻尼型高温dc-SQUID磁强计的芯片、其磁通噪声和磁场噪声的理论值 关键词：     

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.     

高温超导台阶结YBCO dc-SQUID一阶平面梯度计

在10mm×10mm SrTiO₃(STO)台阶衬底上用单层YBa₂Cu₃ O_7-δ(YBCO)薄膜制备了dc-SQUID一阶平面梯度计,探测环面积约为33mm ²,基线长度d=45mm.该梯度计在无屏蔽条件下对地磁场有较好的屏蔽作用,共模抑 制比为14×10²,磁场梯度灵敏度为8PT/cmHz(白噪声区). 关键词： 台阶结 SQUID 平面梯度计     

基于USB传输的rf SQUID自动测量系统

本文报告了基于USB传输的计算机控制的射频超导量子干涉器(rf SQUID)自动控制测量系统的实现,系统可对rf SQUID的工作点进行调整和显示.本文将对系统工作原理、硬件电路和软件的设计做简要介绍.     

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.     

微量Ni~(2+)掺杂MOD-YBCO薄膜性能的研究

采用无氟高分子辅助金属有机物沉积法(PA-MOD)在La Al O3(LAO)单晶衬底上制备了一系列YBa2Cu3-xNixO7-z(x=0、0.0005、0.001、0.0015、0.002)超导薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及综合物性测量系统(PPMS)分别研究了微量Ni2+掺杂YBCO薄膜的晶体结构、表面形貌及超导性能。结果表明,微量Ni2+掺杂明显提高YBCO薄膜在外加磁场下的临界电流密度,说明微量Ni2+掺杂增强了YBCO薄膜的磁通钉扎性能。     

高温超导薄膜衬底材料-SrTiO_3双晶的研究

SrTiO3双晶基片是高温超导电子学研究中外延YBCO薄膜所需要的基础材料;是制作高温超导量子干涉器件(SQUID)的核心。由于其特殊的制造工艺,加之研究因素所附加的高昂成本,至今只有少数国家涉足这一领域。文中展示作者在钛酸锶双晶研究方面所取得的阶段性进展。     

我国高温超导材料研究进展

本文概述了我国在高温超导材料研究方面的最新进展，较系统地介绍了超导块材和薄膜的制备方法及性能，并简单地介绍了高温超导材料在超导量子干涉器件、超导天线、磁屏蔽和磁通变换器等方面的应用．     

用于高温射频超导量子干涉器的介质谐振器的性质研究

介质谐振器是目前高温射频超导量子干涉器较常采用的一种高品质因数微波谐振器.它是由10 mm×10 mm×1 mm的SrTiO₃(STO)标准衬底及覆盖在其上的YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)薄膜磁通聚焦器共同构成的.为探明磁通聚焦器构形对介质谐振器谐振频率的影响,本文采用Ansoft公司出品的HFSS高频结构仿真软件对磁通聚焦器构形不同的若干介质谐振器的谐振特性进行了仿真.结果表明:增大磁通聚焦器开     

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.