РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
У розділі наведено опис зразків для експериментальних досліджень, методи їх
виготовлення (§ 2.1), розглянута установка для охолодження та регулювання
температури досліджуваних зразків (§ 2.2), наведено опис експериментальних
методик дослідження поверхневого імпедансу плівок ВТНП (§ 2.3), описані
експериментальні методики дослідження НВЧ властивостей РПХ у позамежному
хвилеводі (§ 2.4). Також розглянуті: установка для дослідження електрофізичних
характеристик ДК, включених у РПХ (§ 2.5); установка для дослідження
детектування НВЧ ланцюжком ДК, інтегрованих у РПХ (§ 2.6); установка для
дослідження джозефсонівської генерації ланцюжком ДК (§ 2.7) у міліметровому
діапазоні довжин хвиль.
2.1 Зразки для експериментальних досліджень.
Дослідження проводились для металевих РПХ, на основі Cu, Al, Au, Ag та для ВТНП
РПХ, на основі YBCO. РПХ представляв собою підкладинку з діелектрика (Al2O3,
LaAlO3, YSZ), на яку методом лазерного осадження [124] була нанесена плівка
металу чи надпровідника. Спочатку досліджувались металеві резонатори, що були
розміщені у позамежному хвилеводі [115]. Визначались наступні характеристики:
резонансні частоти, власні добротності, коефіцієнти стоячої хвилі по напрузі
(КСХН), коефіцієнти відбивання для різних модів у залежності від таких
параметрів, як геометричні розміри резонатора, положення резонатора у
хвилеводі, елементів топології на поверхні РПХ. Таким чином, визначались
оптимальні геометричні розміри та розміщення резонатора у хвилеводі. При
вимірюванні поверхневого імпедансу використовувались зразки з розмірами 10х10
мм2, в яких плівка YBCO була нанесена на підкладинку YSZ. Товщина плівки ВТНП й
підкладки була 300 нм та 0,5 мм відповідно.
Після цих вимірів виготовлялись РПХ з ланцюжками бікристалічних
високотемпературних джозефсонівських контактів [51]. Для створення
високотемпературних ДК плівка ВТНП напилялась на бікристалічну фіанітову
підкладку з кутом розорієнтації 19° [117], а потім покривались захисним шаром
золота товщиною 200 нм. До напилення плівки YВСО на поверхню YSZ був нанесений
тонкий (10 нм) буферний шар Y2O3 in situ. Захисний шар золота одночасно
виконував шунтуючу функцію, до того ж це дозволяло зменшити розкид критичних
струмів кожного контакту у ланцюжку ДК. Лінійний ланцюжок ДК створювався
витравлюванням окремих ділянок позолоченої плівки ВТНП для створення меандрової
смужки ВТНП+золото. На сьогодні відомо, принаймні, п’ять різних топологій
включення ланцюжка джозефсонівських контактів у кола високої частоти і
постійного струму зміщення [17]. На рис. 2.1 представлена ще одна, шоста,
топологія включення лінійного ланцюжка ДК. Такий лінійний ланцюжок контактів
був названий послідовно-зміщеним паралельним (series-biased рага11е1 аггау)
ланцюжком [127]. При такій топології, ДК виявляються включеними послідовно за
постійним струмом і паралельно за змінним струмом НВЧ. Для цього, як показано
на рис. 2.1, у плівці повинна бути створена система паралельних розрізів,
постійний струм Idc прикладений до протилежних сторін бікристалічної границі.
Постійний струм проходить послідовно через усі джозефсонівські контакти,
утворені бікристалічною границею; на всіх контактах виникає однакова постійна
напруга V. Мікрохвильовий струм основної моди резонатора, спрямований уздовж
резонансного розміру L, проходить паралельно через усі джозефсонівські
контакти. Завдяки однорідному розподілу НВЧ полів основної моди коливання у РПХ
по кожному окремому ДК з лінійного ланцюжка повинні протікати однакові за
амплітудою НВЧ струми, тобто контакти повинні знаходиться в однакових умовах
збудження [68].
Рис.2.1. Послідовно зміщений паралельний ланцюжок з 11 ДК, інтегрований у
чвертьхвилевий РПХ; х – джозефсонівські контакти, Idc – постійний струм
зміщення, L – резонансний розмір, W – нерезонансний розмір. НВЧ струми
спрямовані уздовж розміру L, чорним кольором показані витравлені розрізи у
плівці ВТНП.
Товщина плівки ВТНП складала 300 нм, величина поверхневого опору на частоті 135
ГГц складала 110 мОм при температурі рідкого азоту.
Утворені таким чином ДК мали критичний струм І0»1 мА, R»50мОм при температурі
77 К.
Для вимірювання параметрів ДК на постійному струмові та встановлення робочої
точки використовувались мідні дротинки з діаметром 50 мкм. Електричний контакт
забезпечувався за допомогою срібної пасти.
2.2. Установка для охолодження та регулювання температури зразків.
Один з найбільш розповсюджених методів охолодження – за допомогою зріджених
газів – має свої недоліки, серед яких основним є те, що зріджені гази швидко
випаровуються. Крім того, при використанні зріджених газів ускладнюється
одержання температур, більш низьких, ніж температура кипіння газу. Тому були
розроблені альтернативні методи одержання низьких температур, один з яких
пов’язаний з використанням мікрокріогенної системи замкнутого циклу (МКС). Ця
система була побудована на основі промислової установки МСМР-100А-3,2/20 [138],
де в якості робочого газу використовується гелій. Працює установка за
двоступінчастою схемою Джифорда – Мак-Магона [138].
На рис.2.2 наведено блок-схему МКС.
Вимірювальна секція 1 зі зразком розміщувалась у вакуумній камері 2. Для
досліджень було виготовлено декілька вимірювальних секцій, які були
пристосовані для вирішення конкретних задач.
На першому етапі здійснювалась відкачка вакуумної камери 2 форвакуумним насосом
3 через вакуумний кран 4 у діапазоні вакууму до ~10?3 мм рт. ст. Контроль тиску
здійснювався термопарним манометром 5. Мікроохолоджувач 6 в
- Київ+380960830922