РАЗДЕЛ 2
ПОЛУЧЕНИЕ YBCO ПЛЕНОК. ИЗМЕРЕНИЕ И АНАЛИЗ ИХ СВЧ СВОЙСТВ
2.1. Приготовление и тестирование YBCO пленок.
В экспериментах, проведенных в диссертационной работе, для измерения
поверхностного импеданса были использованы тонкие пленки YBCO с началом
критического перехода . Они были получены путем осаждения с помощью методики
несоосного магнетронного распыления (рис.2.1) на постоянном токе на
монокристаллическую подложку из Al2O3 (сапфир, r-срез), а также на
монокристаллическую подложку из LaAlO3. Перед осаждением на подложку из сапфира
YBCO пленки на нее наносился буферный слой из CeO2 толщиной 30 нм. Осаждение
YBCO проводилось при температуре подложки 730°С [56,57].
Рис. 2.1. Схема несоосного магнетронного напыления ВТСП пленки.
Пленки исследовались методами высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ),
атомной силовой микроскопии и низкочастотными магнитными (индукционными)
методами), в которых исследовалась динамическая магнитная восприимчивость в
низкочастотном переменном поле с определением действительной и мнимой ее части
при изменении температуры, амплитуды переменного магнитного поля и
напряженности приложенного постоянного внешнего магнитного поля.
Из выше перечисленных исследований стало известно, что в полученных YBCO
пленках отсутствуют включения инородных фаз. Разориентация между
кристаллическими решетками доменов, которые образуют малоугловые границы,
составляет не больше 1°.
На рис.2.2, полученном с помощью ВРЭМ метода, изображен поперечный срез YBCO
пленки, осажденной на подложку из сапфира с буферным слоем CeO2. На фотографии
хорошо видна совершенная кристаллическая решетка YBCO пленки, буферного слоя
CeO2 и подложки.
Рис.2.2 Изображение структуры интерфейса YBCO/CeO2/сапфир
Результаты исследований показывают высокую степень совершенства и структурной
однородности полученных пленок [56,58,59]. Плотность критического тока в
пленках в отсутствие поля, определенная из независимых экспериментов [51,58],
составляет (2ё3)Ч106А/см2 для температуры . После изготовления, ВТСП пленки
проходили тестирование на трех различных частотах (34,65,135ГГц) с помощью
методики объемного резонатора, схематическая схема которого показана на
рис.2.3.
2.2. Резонаторы, использованные для измерений СВЧ характеристик
2.2.1. Объемный резонатор.
Измерения поверхностного сопротивления с помощью методики объемного резонатора
[60] использовались в основном для характеризации пленок. Выбор методики был
обусловлен тем, что мода H011 цилиндрического резонатора обеспечивает нулевой
ток на краях пленки и высокую линейность микроволнового отклика до величин
амплитуды СВЧ поля вплоть до Hac ~ 100Э. Благодаря этому, измерения проходят в
линейном режиме в отсутствии различного рода краевых эффектов.
Одним из основных достоинств этой методики является то, что пленка в результате
тестирования не изменяет своих физических характеристик, как, например, при
фотолитографировании, и пригодна для дальнейшего использования.
На рис. 2.3 отображена структурная схема объемного резонатора. Образец
прижимался к верхней части резонатора с помощью системы юстировки. Эта система
помогала выставлять образцы параллельно основанию при воздействии на них
минимальных механических нагрузок. Нити теплоизоляции были сделаны из стальных
нержавеющих тонкостенных трубочек и обеспечивали теплоразвязку всей системы и
образца.
Микроволновый сигнал подводился по входному волноводу и через отверстие связи
поступал в резонатор, возбуждая в нем основную моду колебаний H011. Далее,
часть СВЧ энергии поступала через отверстие связи и выходящий волновод на
регистрирующий прибор. Диаметр отверстий связи подбирался таким, чтобы связь
резонатора с входящим и выходящим волноводами была достаточна мала. Это давало
возможность утверждать что померенная нагруженная добротность резонатора Qн
равна собственной добротности резонатора Q0 с ошибкой не больше чем 5%.
Во время характеризации YBCO пленок с помощью методики объемного резонатора
были получены температурные зависимости поверхностного сопротивления и глубины
проникновения микроволнового поля в интервале температур от 20 до 100K.
Рис. 2.3. Экспериментальная установка для измерения температурных зависимостей
поверхностного сопротивления в диапазоне до 140 ГГц.
В дальнейшем из наилучших YBCO пленок, отобранных с помощью объемного
резонатора (критерий отбора – минимальные значения Rs во всем интервале рабочих
температур), была изготовлена серия копланарных резонаторов.
2.2.2. Копланарный резонатор.
Копланарные резонаторы имеют преимущество перед другими полосковыми
резонаторами в том, что они изготовляются из односторонней YBCO пленки. В
процессе измерения СВЧ характеристик резонатора, внешнее постоянное магнитное
поле не экранируется YBCO пленкой, которая находится на другой стороне подложки
в микрополосковых резонаторах, изготовленных из двухсторонних пленок. В то же
время на краях копланарного резонатора текут максимальные СВЧ токи. Используя
это свойство, можно получить нелинейные зависимости поверхностного
сопротивления даже при наличии маломощных СВЧ генераторов.
Копланарные резонаторы, топология которых изображена на рис.2.4, были
изготовлены с помощью нанесения литографии с последующим ионным травлением из
выше описанных YBCO пленок толщиной около 350нм.
Технология ионного травления, на сегодняшний день, обеспечивает, по сравнению с
травлением в растворах кислот, наименьшую неровность края резонатора, а также
минимизирует пагубное влияние жидких растворов на YBCO пленку.
Сразу после изготовления резонатора на его