Способ формирования сверхпроводящей тонкой пленки с локальными областями переменной толщины

Использование: для формирования в сверхпроводящих тонких пленках областей с требуемыми значениями плотности критического тока. Сущность изобретения заключается в том, что способ формирования областей переменной толщины сверхпроводящей тонкой пленки методом лазерного распыления мишени YBa2Cu3O7-x, в котором между мишенью и подложкой располагают затеняющую пластину, затем воздействуют на мишень лазерным излучением плотностью мощности Ρ=(1÷2)·109 Вт/см2, длиной волны λ=1,06 мкм, длительностью импульса τ=10÷20 нс и частотой следования импульсов ν=10 Гц в течение времени t=175÷185 с, при температуре мишени Тм=600÷700°С, температуре подложки Тп=800÷840°С, расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1÷0,2 мм, при этом вне затеняющей пластины формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=160÷200 нм с плотностью критического тока j>106 А/см2, а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=40-50 нм с плотностью критического тока j=(1÷5)·103 А/см2. Технический результат: обеспечение возможности упрощения технологии создания микромостиков сверхпроводящей пленки с требуемыми значениями критического тока. 3 пр., 4 ил.

 

Изобретение относится к способам формирования в сверхпроводящих тонких пленках областей с требуемыми значениями плотности критического тока путем создания локальных областей переменной толщины. Необходимость создания в пленках областей с заданной плотностью критического тока обусловлена возможностью изготовления из этих пленок микромостиков, обладающих джозефсоновскими свойствами и используемых в высокочувствительных пленочных сквидах, которые находят применение в биомагнетизме, геофизике, сквид-микроскопии и т.д.

В настоящее время существуют различные способы структурирования сверхпроводящих тонких и сверхтонких пленок, которые используются для изготовления тонкопленочных сквидов и совмещенных с ними на одной подложке сверхпроводящих трансформаторов потока и сверхпроводящих планарных градиометров первого и второго порядка.

Известен способ структурирования сверхпроводящих пленок путем варьирования толщины пленки (патент РФ №2133525). Результаты исследований механизма роста YBCO пленок и зависимости сверхпроводящих свойств пленки от ее толщины показывают, что существует некоторый интервал значений толщин, при котором плотность критического тока пленки меняется скачком почти на два порядка. Таким образом, путем варьирования толщины пленки можно задавать необходимую плотность критического тока. Основным недостатком данного способа является то, что совмещенные со сквидом на одной подложке сверхпроводящий трансформатор потока и петли градиометра также изготавливаются из сверхтонкой пленки, а, следовательно, обладают низкими значениями плотности критического тока и обладают слабой устойчивостью к воздействию окружающей среды и к термоциклированию.

Известен способ (патент РФ №2199796) структурирования сверхпроводящих пленок, названный авторами способом «контролируемой закалки», связанный с замораживанием механических напряжений в монокристаллической пленке при быстром охлаждении в постростровом режиме отжига. Основная идея использования этого способа заключалась в следующем: после напыления пленки подбором скорости остывания можно организовать в пленке необходимую степень механических напряжений и, следовательно, необходимое значение плотности критического тока. При высоких скоростях остывания в пленке образуются домены напряжений, границы между которыми представляют сильнонапряженные участки, что и приводит к подавлению критического тока. Основным недостатком данного способа структурирования пленки является то, что джозефсоновские микромостики, изготовленные из напряженных пленок, неустойчивы к релаксациям упругих напряжений, что делает нестабильным критический ток мостиков - со временем значение критического тока мостика релаксирует до высоких значений, что сопровождается понижением чувствительности сквида. Еще одним недостатком данного способа структурирования пленки является то, что выращиваемая сверхпроводящая пленка является напряженной по всей площади, а следовательно, совмещенные со сквидом на одной подложке сверхпроводящий трансформатор потока и петли градиометра также изготавливаются из напряженных участков пленки, что приводит к ухудшению их качества.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ структурирования сверхпроводящих пленок путем формирования импульсным лазерным излучением локальных областей механических напряжений в подложке, на которой затем выращивают сверхпроводящую пленку, в которой формируется поле механических напряжений для создания требуемых значений критического тока джозефсоновских переходов (патент РФ №2375789). Основным недостатком данного способа является сложность контроля степени упругих напряжений в материале монокристаллической подложки при облучении мощным импульсным лазерным излучением. Это приводит к усложнению технологии создания микромостиков сверхпроводящей пленки с требуемыми значениями критического тока.

Задачей изобретения является разработка способа формирования сверхпроводящих тонких пленок, имеющих области с различными требуемыми для изготовления сверхпроводящих устройств значениями плотности критического тока, обеспечивающего при упрощении технологии изготовления слабых связей повышение стабильности работы, надежность и воспроизводимость характеристик данных устройств.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ формирования областей переменной толщины сверхпроводящей тонкой пленки методом лазерного распыления мишени YBa2Cu3O7-х, в котором между мишенью и подложкой располагают затеняющую пластину, затем воздействуют на мишень лазерным излучением плотностью мощности Ρ=(1÷2)·109 Вт/см2, длиной волны λ=1,06 мкм, длительностью импульса τ=10÷20 нс и частотой следования импульсов ν=10 Гц в течение времени t=175÷185 с, при температуре мишени Тм=600÷700°С, температуре подложки Тп=800÷840°С расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1÷0,2 мм, при этом вне затеняющей пластины формируется сверхпроводящая пленка толщиной D1=160÷200 нм с плотностью критического j>106 А/см2, а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=40-50 нм с плотностью критического тока j=(1÷5)·103 А/см2.

Способ реализуется следующим образом.

Перед напылением по нормали к рабочей поверхности подложки закрепляется металлическая игла с помощью прижимной пластины, как показано на фиг. 1. Острие иглы протыкает затеняющую металлическую пластину и касается подложки в том месте, где впоследствии будут сформированы слабые связи, например джозефсоновские переходы сквида. В пределе затеняющей пластины может и не быть достаточно одной иглы. Под затеняющей пластиной или одной иглой образуется область тени, куда попадает меньше частиц распыляемого материала мишени, и в этом месте формируется участок пленки пониженной толщины, как показано на фиг. 2. Форма и размер затеняющей пластины определяет форму и размер области пленки пониженной толщины. Время напыления t, плотность мощности лазерного излучения Ρ и расстояние от затеняющей пластины до подложки L позволяют варьировать толщину тонкой пленки под затеняющей пластиной, при этом пленка пониженной толщины будет обладать пониженным значением критического тока. Остальные области пленки имеют толщину, необходимую для изготовления на этих участках таких элементов криоэлектроники, как сверхпроводящий трансформатор потока, градиометр первого порядка и др.

Как показывают исследования пленок на атомно-силовом микроскопе, в области тени происходит преимущественно 2D рост пленки. На фиг. 3 показано распределение кристаллитов по размеру в материале пленки, сформированной в области тени. Большая часть кристаллитов имеют размер менее 150 нм, что указывает на преимущественный рост пленки в области тени из парогазовой фазы распыляемого материала. На фиг. 4 представлено АСМ изображение поверхности пленки в области тени. На поверхности пленки отсутствуют частицы микронных размеров, что существенно снижает процент брака при формировании джозефсоновских переходов.

Пример 1

При времени напыления t=175 с, плотности мощности лазерного излучения Ρ=(1-2)·109 Вт/см2 и расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1-0,2 мм за пределами тени формируется сверхпроводящая пленка толщиной D1=156-194 нм с плотностью критического тока j>106 А/см2, а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=39-49 нм с плотностью критического тока j=(1-5)·103 А/см2.

Пример 2

При времени напыления t=180 с, плотности мощности лазерного излучения Ρ=(1-2)·109 Вт/см2 и расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1-0,2 мм за пределами тени формируется сверхпроводящая пленка толщиной D1=160-200 нм с плотностью критического тока j>106 А/см2, а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=40-50 нм с плотностью критического тока j=(1-5)·103 А/см2.

Пример 3

При времени напыления t=185 с, плотности мощности лазерного излучения Ρ=(1-2)·109 Вт/см2 и расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной D1=0,1-0,2 мм за пределами тени формируется сверхпроводящая пленка толщиной 164-206 нм с плотностью критического тока j>106 А/см2, а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=41-51 нм с плотностью критического тока j=(1-5)·103 А/см2.

Таким образом, решается техническая задача формирования сверхпроводящих тонких пленок, имеющих области с различными требуемыми для изготовления сверхпроводящих устройств значениями плотности критического тока, обеспечивающего при упрощении технологии изготовления слабых связей повышение стабильности работы, надежности и воспроизводимости характеристик данных устройств.

Способ формирования областей переменной толщины сверхпроводящей тонкой пленки методом лазерного распыления мишени YBa2Cu3O7-x, в котором между мишенью и подложкой располагают затеняющую пластину, затем воздействуют на мишень лазерным излучением плотностью мощности Р=(1÷2)·109 Вт/см2, длиной волны λ=1,06 мкм, длительностью импульса τ=10÷20 нс и частотой следования импульсов ν=10 Гц в течение времени t=175÷485 с, при температуре мишени Тм=600÷700°C, температуре подложки Тп=800÷840°С, расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1÷0,2 мм, при этом вне затеняющей пластины формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=160÷200 нм с плотностью критического тока j>106 А/см2, а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=40-50 нм с плотностью критического тока j=(1÷5)·103 А/см2.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к текстурированной подложке для выращивания на ней эпитаксиальной пленки оксидного сверхпроводящего материала для использования в различных типах электросилового оборудования.

Изобретение относится к сверхпроводникам и технологии их получения. Оксидный сверхпроводящий провод включает лентообразный оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, сформированный путем нанесения промежуточного слоя 4 на стороне передней поверхности металлической лентообразной подложки 3, оксидного сверхпроводящего слоя 5 на промежуточном слое 4 и защитного слоя 6 на оксидном сверхпроводящем слое 5, и покрытие, включающее металлическую ленту 2 и слой металла с низкой точкой плавления 7, при этом ширина металлической ленты 2 больше, чем ширина оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, и лента 2 закрывает поверхность защитного слоя 6 оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, обе боковые поверхности оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1 и оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3 в поперечном направлении, причем оба концевых участка металлической ленты 2 в поперечном направлении закрывают оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3а, слой металла с низкой точкой плавления 7 заполняет щели между оксидным сверхпроводящим слоистым материалом 1 и металлической лентой 2, окружающей оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, и соединяет металлическую ленту 2 и оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1 друг с другом, а часть 7с заполняющего слоя металла с низкой точкой плавления продолжается в область углубленного участка 2d, сформированного между обоими концевыми участками металлической ленты 2 в поперечном направлении.

Изобретение относится к пленкам с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС-пленки). Способ улучшения рабочих характеристик пленки с чрезвычайно низким сопротивлением, содержащей материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС-материал), имеющий кристаллическую структуру, включает: наслаивание модифицирующего материала на грань ЧНС-материала, которая не является по существу параллельной с-плоскости кристаллической структуры ЧНС-материала ЧНС-пленки, чтобы создать модифицированную ЧНС-пленку, при этом модифицированная ЧНС-пленка обладает улучшенными рабочими характеристиками по сравнению с ЧНС-пленкой без модифицирующего материала.

Изобретение относиться к способам формирования самоохлаждаемых автономных приборов и элементов электроники, которые могут эффективно работать без использования технологии жидкого азота, и другой криогенной техники.

Использование: для изготовления провода, кабеля, намотки и катушки. Сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературный сверхпроводящий ленточный провод с гибкой металлической подложкой содержит по меньшей мере один промежуточный слой, который расположен на гибкой металлической подложке, и который на стороне, противоположной гибкой металлической подложке, содержит террасы, причем средняя ширина террас меньше 1 мкм, а средняя высота террас больше 20 нм, и который содержит по меньшей мере один расположенный на промежуточном слое высокотемпературный сверхпроводящий слой, который расположен на по меньшей мере одном промежуточном слое и имеет толщину слоя более 3 мкм, причем допустимая токовая нагрузка высокотемпературного сверхпроводящего ленточного провода, отнесенная к ширине провода, при 77 K превышает 600 А/см.

Использование: для изготовления сверхпроводниковых туннельных или джозефсоновских переходов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления сверхпроводящих наноэлементов с туннельными или джозефсоновскими переходами включает формирование нанопроводов из веществ, обладающих сверхпроводящими свойствами, и преобразование их в несверхпроводящие в выбранных разделительных участках заданной ширины за счет селективного изменения атомного состава путем воздействия пучком ускоренных частиц через защитную маску с заданным рельефом.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению сверхпроводящего материала в виде покрытия, и может быть использовано при изготовлении экранов электронных схем от воздействия электромагнитного и ионизирующего излучений в энергетике, транспорте, связи, приборостроении, в ракетной и аэрокосмической отраслях промышленности.

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления сверхпроводящих ультратонких пленок сложного металлооксидного соединения состава YBa2Cu3O7-x путем оптимизации параметров лазерного излучения и условий постростового отжига в напылительной камере.

Использование: для получения высокотемпературных сверхпроводников и изготовления высокочувствительных приемников электромагнитного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает в себя формирование пленки из высокотемпературного сверхпроводящего материала, который представляет собой монофазный текстурированный сверхпроводник состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10, на диэлектрической подложке методом магнетронного распыления из мишени, изготовление чувствительного элемента, антенны и подводящих линий выполняется в едином процессе на одном слое образованной пленки ВТСП (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10.

Изобретение относится к способам формирования сверхпроводящих пленок с двух сторон диэлектрических подложек. Изобретение обеспечивает создание однородных по толщине сверхпроводящих пленок с двух сторон подложки в одном технологическом цикле.

Использование: для получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала. Сущность изобретения заключается в том, что способ получения включает нанесение на гибкую металлическую текстурированную подложку или на металлическую подложку, покрытую промежуточным биаксиально текстурированным оксидным слоем, по меньшей мере, одного эпитаксиального оксидного буферного слоя из прекурсора, получаемого из золя оксида-гидроксида выбранного элемента или нерастворимой соли выбранного элемента в водном растворе температурно-зависимого полимера, путем нагревания при температуре, превышающей температуру фазового перехода температурно-зависимого полимера, нанесение на буферный слой, по меньшей мере, одного эпитаксиального слоя сверхпроводникового материала и его термообработку, при этом после нанесения эпитаксиального оксидного буферного слоя осуществляют его обработку в переменном магнитном поле с амплитудой напряженности не более 0,10 Тл и частотой 10-40 Гц в течение 100 и более секунд. Технический результат: обеспечение возможности повышения совершенства кристаллической структуры и морфологии эпитаксиального буферного слоя и, как следствие, повышение совершенства кристаллической структуры нанесенного на него сверхпроводящего покрытия, и в результате повышение плотности критического сверхпроводящего тока. 2 ил., 2 табл.
Наверх