Наноструктуры Джозефсона и методы их реализации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наноструктуры Джозефсона и методы их реализации

А.П. Большаков

В работе показаны результаты анализа возможных устройств на переходе Джозефсона (ПД). Разработан способ изготовления ПД.

This article dials with the problem of the devices based on the Josephson junctions and the development of the technology of fabrication of Josephson junctions. наноструктура джозефсон промышленность переход

Введение. В настоящее время разрабатываются устройства на основе переходов Джозефсона. Для их промышленного производства необходимо получение качественных ПД и обеспечение их воспроизводимости.

Целью работы является исследование возможных наноструктур Джозефсона, технологий их получения и разработка технологии получения качественного и хорошо воспроизводимого в промышленности ПД

Решаемые задачи: 1. анализ возможных наноструктур Джозефсона 2. анализ существующих технологий получения наноструктур Джозефсона; 3. разработка технологии получения ПД

Математическое моделирование. Разработана модель, учитывающая условия ионной имплантации, которые выбирают с учетом свойств и толщины слоя сверхпроводника и требуемой толщины ПД.

Переход Джозефсона (ПД) - это слабая связь между двумя сверхпроводниками. Ширина такого перехода должна быть 1-2 нм. В настоящее время такую точность трудно получить в условиях производства и переходы будут иметь большой разброс характеристик из-за неточности воспроизведения размеров. Поэтому на практике используют слабые связи сверхпроводников другого типа, которые тоже являются переходами Джозефсона.

ПД можно использовать для следующих целей:

1. Высокоточное измерение магнитного поля. Сверхпроводящий ток в переходе Джозефсона зависит от величины магнитного поля, параллельного плоскости контакта, что позволяет ему измерять магнитное поле. Если соединить электроды ПД сверхпроводящим проводником - получится СКВИД - сверхпроводящий квантовый интерферометр. Точность измерения магнитного поля с помощью СКВИДов близка к предельно возможной точности, определяемой квантовым пределом чувствительности. СКВИДы в основном используются в медицине, физике и дефектоскопии. Также они используются в сканирующей СКВИД-микроскопии для исследования распределения магнитных полей и структуры материалов. Разрешающая способность известных образцов 2 мкм при чувствительности 100 пТл.

2. Сверхпроводниковый компьютер на ПД. ПД можно использовать для обработки информации, например, управляя проводимостью перехода приложением внешнего магнитного поля (Джозефсоновский криотрон). Такой элемент обладает сравнительно невысоким быстродействием. Другой вариант - для запоминания и обработки информации используется квант магнитного потока. Преимущества компьютеров на ПД по сравнению с традиционными:

· Достижима большая плотность упаковки (ПД нормально функционирует при толщине 1 нм и даже меньше). Размер электродов также можно сделать достаточно малым.

· Малое тепловыделение, так как в сверхпроводящем состоянии теплота вообще не рассеивается. Рассеивание энергии в элементе на ПД составляет примерно 10^-18 Дж на одну логическую операцию, а в полупроводниковых устройствах 10^-13 Дж/бит, что является основным сдерживающим фактором для повышения частоты полупроводниковых процессоров.

· Высокое быстродействие. Расчеты показывают, что логические элементы с ПД могут достигнуть быстродействия до 10¹² операций в секунду.

В настоящее время на ПД реализован аналогово-цифровой преобразователь с тактовой частотой 20 ГГц и степенью интеграции порядка 10⁴ джозефсоновских переходов на чип. Также возможно создание квантового компьютера на ПД.

3. Под воздействием приложенного высокочастотного магнитного поля на ВАХ ПД возникают ступени Шапиро, которые связывают частоту поля с двумя фундаментальными физическими постоянными - зарядом электрона и постоянной Планка. Таким образом, ПД можно использовать для измерения частоты магнитного поля, создания стандартов частоты и стандартов напряжения - вольта. Так как напряжение на одном переходе мало, для этой цели соединяют последовательно большое число контактов и синхронизируют их джозефсоновскую генерацию с помощью внешнего излучения. Точность воспроизведения напряжения в 1 В равна 10^-10 В, в то время как использующиеся ранее стандарты вольта имели точность 10^-6 В.

Для создания ПД наиболее часто используются следующие типы слабой связи:

1. Туннельные переходы, в которых связь между двумя пленочными сверхпроводниками осуществляется через очень тонкий (единицы нанометров) слой изолятора - так называемые SIS - структуры. Они могут быть получены путем имплантации в пленку сверхпроводника ионов примеси, нарушающей сверхпроводимость, или облучения сверхпроводника пучком электронов или ионов , которое вызывают изменение структуры кристаллической решетки в данной области и также нарушает сверхпроводимость. При этом имплантация может идти на всю глубину пленки, тогда требуется высокая разрешающая способность технологии для получения малой ширины ПД. Другой вариант данной технологии - имплантация идет не на всю глубину, а слабая связь создается путем утоньшения сверхпроводящей пленки в данной области. В этом случае ширина ПД может быть увеличена, но необходимо точно регулировать параметры технологического процесса с целью получения сверхпроводящей области необходимой толщины. В сотрудничестве с научным руководителем был разработан патент, предназначенный для регулировки параметров (времени имплантации, ширины щели и т.д.) и повышения воспроизводимости и параметров перехода, полученного таким способом.

2. Структуры типа мостик, представляющие собой узкую сверхпроводящую перемычку ограниченной длины между двумя массивными сверхпроводящими электродами. При этом толщина щели может быть сравнительно большой. Недостатком способа является его сравнительно невысокая воспроизводимость. Перемычка получается путем распыления материала ВТСП пленки методами ионного или электронно-лучевого распыления. Также мостик может быть создан механически с помощью тонкого зонда атомно-силового микроскопа.

3. “Сэндвичи” - это два пленочных сверхпроводника, взаимодействующих через тонкий слой изолятора между ними. При этом наносится пленка сверхпроводника, потом изолятора, потом снова сверхпроводника. Получается переход Джозефсона больших размеров. Такой способ получения используется для производства датчиков на основе переходов Джозефсона, например, болометров и датчиков инфракрасного излучения.

Выводы

В результате проделанной работы был разработана новая технология получения ПД и модель, учитывающая технологические параметры. В соответствии с анализом возможных устройств на основе ПД можно сделать вывод, что подобная технология является перспективной для промышленного производства приборов на ПД.

Список литературы

Эффекты Джозефсона в сверхпроводниках. Г.Н. Гольдман, Московский государственный педагогический университет. Соросовский образовательный журнал, т. 6, №4, 2000 г., с. 96-102

Эффект Джозефсона и его применение в сверхпроводниковой электронике. В.К. Корнев, МГУ, Соросовский образовательный журнал, т. 7, №8, 2001 г., с.

Bi-Sr-Ca-Cu-O intrinsic Josephson junctions fabricated by inhibitory ion implantation. K. Nakajima, N. Yamada, et al. IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 9, NO. 2, JUNE 1999. p. 4515-4518

SNS junction arrays for standards and other applications. Mark Blamire. Euroconference on Physics and Application of Multi-Junction Superconducting Josephson Devices, Acquafredda di Maratea, Italy, 1-6 July 2000.

Fabrication of YBaCuO Junctions by the Irradiation of Focused Ion Beam. H. Shiga, Y. Soutome, and Y. Okabe. September 15, 1998

Masked ion damage and implantation for device fabrication. M.G. Blamirea, D.-J. Kang et al. Vacuum 69 (2003), p. 11-15

Irradiation damage technology for manufacturable Josephson junctions. D.-J. Kang , N.H. Peng et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 188 (2002), p.183-188

Сверхпроводящие слабые связи: стационарные процессы. К. К. Лихарев, Успехи физических наук, февраль 1979 г., Том 127, вып. 2, с. 188

Размещено на Allbest.ru