Устройство со многими джозефсоновскими переходами и способ его изготовления Советский патент 1984 года по МПК H01L39/24 

2. Способ изготовления устройства со многими джозефсоновскими переходами, заключающийся в изготовлении множественной структуры с переходами сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник и нанесении на нее электродов, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления и повышения надежности и стабильности параметров, множественную структуру получают путем спекания несверхпроводящих порошков BaPbO и ВаВЮч до образования сверхпроводящего твердого раствора с зернистой макроструктурой при температуре 9001100 К в течение 0,5-10 ч.

Изобретение относится к сверхпро дящим устройствам и способам их изготовления, в частности к устройств использующим эффект Джозефсона, и м жет найти применение в качестве переключателя электпических сигналов, детектора, генератора электромагнит ного излучения и т.п. Известно устройство с пленочным туннельным переходом Джозефсона, ко торое содержит сплошную однородную пленку тоЛ(ИноГ| 1-3 нм 111. Наиболее близким по технической сути является устройство со многими джозефсоновскими переходами, содержащсе связлнные сверхпроводящие эле менты, разделенные изолирующими сло ями, на поверхности которого расположены электроды 2 . Недостаток устройства со многими Дл:озефс(,и1овскими переходами заключается ,в том, что оно фактически ,ста1зляет собой один, множествен ный джозефсоновский переход, т.е. . функциональные возможности такого устройства ограничены. Кроме того, устройство такого типа подвержено процессом старения и необратимым изменениям при термоциклировании в результате разрушения изолирующего слоя. Известен также способ изготовления устройства со многими джозефсоновскими переходами, заключающийся в изготовлении множественной структуры с переходами.сверхпроводник изолятор - сверхпроводник и нанесении пленочных электродов Г2. Недостатками этого, способа являются использование дорогостоящего оборудования, сложных технологических линий и квалифицированной рабочей силы; необходимость многих циклов напыления сверхпроводящих пленок и нанесения изолирующего слоя, что сопряжено со значительными потерями времени на изготовление одного устройства. Кроме того, способ не обеспечивает надежности и стабильности париметров устройства из-за процессов старения и необратимых изменений при термоциклировании. Целью изобретения является расщирение функциональных возможностей, создание устройства с множеством раздельных переходов, каждый из которых является переходом с множественЕ1ЫМ джозефсоновским туннелированием, а также упрощение технологии изготовления и повышение надежности и стабильности параметров. Указан 1ая цель достигается тем, что в известном устройстве, на поверхности которого расположены электроды, содержащем связанные сверхпроводящие элементы, разделенные изолирующими слоями, сверхпроводящие элементы выполнены в виде зерен спеченной керамики ВаРЬ В1 О , где х 0,2-0,3, которые объединены в тело нроизвольной формы, при этом средний размер зерна 1-10 мкм, а количество электродов соответствует числу задействованных джозефсоновских переходов. В способе изготовления устройства со многими джозефсоновскими переходами, заключающемся в изготовлении множественной структуры с переходами сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник и нанесении на нее электродов, множественную структуру изготавливают спеканием несверхпроводящих порошков ВаРЬО,и BaBiO до образования сверхпроводящего твердого раствора с зернистой макроструктурой при температуре 900-1ЮО К в течение 0,5-10 ч. На фиг. 1 дана схема предлагаемого устройства. Устройство содержит сверхпроводящую керамику ,, 1 в виде массивного образца или пленки, элект роды 2, представляющие токовые Т и потенциальные П контакты. Кроме того на чертеже изображены зерна керамики 3 и изолирующие прослойки 4. Работает устройство следующим образом. Рабочая температуря, поддерживается, как и в,обычном переходе Джозефсона, ниже Т (IV кр1 тическая температура перехода в сверхпроводящее состояние) . Контакты Т , Т, подключены к генератору тока. Напряжение снимается с конт;:ктов li , 11„ При протекании тока ,- с конта тов П,1, П снимается напряжением, от вечающее вольт-амперной характеристике, представленной на фиг. 2. Это напряжение может управляться включением малого магнитного поля, уменьша ющего значение е. В поле Э Ос уменьшается до пуля. Предлагаемое изобретение позволит расширить функциональные возможности устройств, использующих джозефсоновское туннелирование в технике и создать на его основе различные быстродействующие нелинейные элементы. Устройство изготавливают следующим образом. Измельчают керамику BaPbOjn керамику BaBiOj в порошок со средним размером зерен d1-10 мкм Эти порошки являются исходными для образования твердого раствора ВаР , нужного состава, где X О,-2-0,3. Указанные составы выбираются из тех соображений, что согласно экспериментальной зависимости критической температуры Т перехода в сверхпроводящее состояние от состава твердого раствора X (фиг. 3) максимальные значения Т достигаются при 0,2 t ;( 4 0,3. Смешивая указанные порошки, напри мер, в соотношении Pb/Bi 4, прессу ют их в тело произвольной формы. Спе кание производят в обычной печи типа М1-2УМ на воздухе при высокой температуре 900-1100К в течение 6 ч, за это время происходит образование сверхпроводящего твердого раствора с кристаллической решеткой типа перовскита и зернистой макроструктурой с диэлектрическими npocjioiiKaMii. Затем производится нанесение необходимого количества контактов, например, способом вжигания серебросодержащих паст. Показателем готовности устройств для проявления эффекта Джозефсона является форма и ширина перехода в сверхпроводящее состояние. Это объясняется тем, что иа.чичие диэлектрических прослоек между зернами приводит к появлению различия между критической температурой перехода в серхпроводящее состояние каждого отдельного зерна макроскопических размеров и критическо темпсратуроЛ перехода в сверхпроводящее состояние всего образца, обусловленной дж(Г сфсоновскими связями. В этом случяс измерения индуктивным метолом фиксируют размытые кривые перехода. При температуре спекания Т 1000°К, лежащс в указанном ныше оптимальном интерв.лс, но для малого времени спекания -0,5 ч (фиг. 4, кривая 1) необхо;и1мая для проявления сверхпроводящих и джозефсонопских свойств структура не успевает образоваться. После длительного спекания в течение 10ч образуется сверхпроводящий твердый раствор с узким IK.- реходом в сверхпроводящее состояние (фиг. 4, кривая 3). Дизлектрмчоские прослойки и джозефсоновские свойства при этом уже практически отсутствуют. При той же томнературс спекания 1000 К и времени спекания, .Сжащем в интервале 0,5 10 ч, получаются оптимальные образцы с размытыми кривыми перехода, проявляющие джозс фсоновские свойства. Если проводить изготовление устройства при температуре 900К, то необходимая для проявления джозефсоновских свойств струкрура не образуется не только за время спекания, лежащее в и 1тервале 0,5-10 ч, но и 10 ч в результате плохого спекания керамики (фиг. 5, кривая 1). С другой стороны, если температура спекания превысит 1100 К, то даже при -t сО,5 ч получается сверхпроводящая структура с отсутствием джозефсоновских свойств и резким переходом в сверхпроводящее состояние (фиг. 5, кривая 2) за счет исчезновения диэлектрических прослоек. 5 Такие ИЗМСЧ1СНИЯ необратимы и при всех временах ,5 ч кривая 2 на фиг. 5 сохраняет свой вид. Использование предлагаемого изоб ретения позволит упростить изготовление устройств со многими джозефсоновскими переходами и одновременно повысить надежность и стабильнос устройства за счет использования

к

С

ff керамической .технологии, более простой и наложной по сравнению с вакуумной тонкогшеночкой технологией. Процессы старения и необратимые изменения при термоциклировании в процессе эксплуатации, свойственные прототипу, устраняются ОКИСЕГЫМ характером керамики, синтезируемой на воздухе, и высокими температурами образования твердого раствора.

/fa/7/j e/f e Йуг 2