автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Исследование направляющих сверхпроводящих структур для устройства СВЧ -электроники

На правах рукописи

КУЖАХМЕТОВ Асан Радекович

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРАВЛЯЮЩИХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СТРУКТУР ДЛЯ УСТРОЙСТВ СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.12.01 - теоретические основы радиотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1997

Работа выполнена на кафедре Основ радиотехники Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Лобов Г. Д.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

с.н.с. Пермяков В.А.

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр прикладных

проблем электродинамики ОИВТ РАН, г.Москва.

Защита состоится 19 июня 1997 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета К 053.16.13 Московского энергетического института (технического университета) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, аудитория А-402.

Отзыв, заверенный печатью, просим присылать по адресу: 111250, Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

кандидат физико-математических наук, в.н.с. Муковский Я.М.

Автореферат разослан

к

мая 1997г.

Ученый секретарь диссертационного Совета к. т. н., доцент

Курочкина Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Открытие в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) кардинально изменило ситуацию в сверхпроводниковой электронике. Первые материалы имели температуру перехода около ЗОК. За прошедшее десятилетие значение критической температуры росло и к настоящему времени ртутные соединения имеют температуру перехода около МОК. Повышение температуры фазового перехода в значительной степени упрощает проблему охлаждения сверхпроводниковых электронных систем и тем самым расширяет область практического применения.

Новые материалы стимулировали работы по исследованию свойств сверхпроводников и созданию разнообразных устройств на их основе. Уже достигнуты обнадеживающие результаты в области создания приборов на основе ВТСП. В их число входят как пассивные (резонаторы, фильтры, линии передачи, антенны), так и активные (преобразователи, генераторы, детекторы, стандарты напряжения) приборы и устройства.

Несмотря на значительный прогресс сверхпроводниковой электроники, в этой области науки пока еще остается довольно много белых пятен. Широкое поле деятельности существует в теоретических и экспериментальных исследованиях направляющих сверхпроводящих структур, а также в обработке экспериментальных результатов для получения информации о свойствах новых сверхпроводников. Для этой цели, в частности, необходимы физико-математические модели, описывающие параметры такой среды. Имея соответствующие модельные представления материальных параметров среды, можно ставить и решать электродинамические задачи о распространении электромагнитных волн в направляющих сверхпроводящих структурах. При изготовлении реальных полосковых структур на основе тонких пленок ВТСП необходимо решать весьма сложные технологические задачи, как, например, технология формирования структур (фотолитографические процессы).

Цель диссертационной работы. Теоретическое исследование направляющих сверхпроводящих структур в рамках развиваемой плазменной модели сверхпроводника. Сравнение плазменной модели с существующими представлениями сверхпроводящей среды. Оценка возможных направлений усовершенствования данной модели. Разработка и изготовление экспериментального оборудования для проведения измерений полосковых структур на основе ВТСП при криогенных температурах. Экспериментальное исследование частотных и температурных характеристик пассивных элементов тракта СВЧ сантиметрового диапазона на основе тонких пленок ВТСП.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Развита плазменная модель сверхпроводящей среды. Проведено сравнение различных модельных представлений сверхпроводника. Определены возможные направления развития плазменной модели.

2. Получено строгое решение электродинамической задачи о распространении электромагнитных волн в направляющих сверхпроводящих структурах с привлечением методов, разработанных для плазменных и диэлектрических волноводов. Изучены структуры различных геометрий, которые могут служить прототипами сверхпроводящих полосковых линий передачи.

3. Проведен подробный анализ особенности поведения фазовой скорости электромагнитных волн, распространяющихся в сверхпроводящих направляющих структурах, вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Теоретический расчет подтвержден экспериментальными результатами.

4. Рассмотрены возможности повышения добротностей полосковых резонаторов различных типов с учетом особенностей синтеза тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников.

5. Экспериментально достигнуты высокие значения нагруженных добротностей полосковых резонаторов, изготовленных из тонких пленок различных соединений ВТСП на основе иттрия, лютеция, таллия, гольмия.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Рассмотрение сверхпроводящей среды как многокомпонентной плазмы имеет значительный интерес с методической точки зрения, поскольку дает возможность описывать свойства сверхпроводников в принятых в традиционной электродинамике.

2. Экспериментальные данные о температурных и частотных характеристиках полосковых устройств, изготовленных из тонких пленок различных соединений ВТСП, позволяют получить информацию о высокочастотных свойствах новых материалов.

3. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МЭИ в курсах "Применение ВТСП в энергетике и радиоэлектронике" и "Радиофизика".

Обоснованность научных положений заключается в проведенном сравнительном анализе различных модельных представлений сверхпроводящей среды.

Достоверность полученных результатов подтверждается как собственными экспериментальными данными, так и результатами, известными из литературных источников.

Апробация работы. Данная работа выполнялась в рамках проекта "Развитие технологии и исследование свойств ВТСП тонкопленочных радиокомпонентов СВЧ и ИК диапазонов" подпрограммы "Сверхпроводимость" Российской научно-технической программы "Актуальные проблемы физики конденсированных сред", а также проекта

"ВТСП" программы "Международное сотрудничество" ГК по высшему образованию России. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по электротехническим материалам и компонентам (Крым, 1995); Международной научно-технической конференции "Проблемы радиоэлектроники" (Москва, 1995); Международной конференции по химии и технологии ВТСП (Москва, 1995); Международной конференции по электронике (Москва, 1995); II Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Крым, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных трудов. Результаты работы использованы в пяти отчетах НИР.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит 173 страницы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Развитие плазменной модели сверхпроводниковой среды. Подробный анализ распространения электромагнитных волн в сверхпроводнике в рамках данной модели.

2. Строгое решение электродинамической задачи о распространении волн в направляющих сверхпроводящих структурах различных геометрий.

3. Анализ особенности поведения фазовой скорости электромагнитных волн, распространяющихся в сверхпроводящих направляющих структурах, вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

4. Экспериментальные данные температурных и частотных характеристик полосковых устройств, изготовленных из тонких пленок ВТСП на основе иттрия, лютеция, таллия, гольмия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, сформулирована цель исследования и изложены основные положения, выносимые на защиту. Для обоснования применения плазменной модели сверхпроводника проведен анализ волновых сопротивлений различных материалов. На рис. 1 изображена комплексная плоскость волнового сопротивления 2С для диэлектриков, металлов и сверхпроводников на частоте 10 ГГц при температуре 77К. Область 2С для диэлектриков с потерями находится между осью Ш{2С) и линией с углом наклона 45°, проведенной из начала координат. Значения 2С для хороших проводников лежат на линии с углом наклона 45°. Величины 2С для диэлектриков расположены между действительной осью Яе(7с) и линией хороших проводников. Область 2С для сверхпроводников при различных температурах находится между линией с

углом наклона 45° и осью 1т(2с), причем угол наклона ак^(1т(2с)/11е(2с)) точек сверхпроводника на комплексной плоскости изменяется от 45° при Т=ТС (несверхпроводящее состояние) до 90° при температуре абсолютного нуля. На рис. 1 приведена зависимость волнового сопротивления от температуры для низкотемпературного (ниобий, лондоновская глубина проникновения Х.ь(0)=50 нм (плазменная частота ю0= 61015 рад/с)) и высокотемпературного (¥Ва2Сиз07.х, Хь(0)^200 нм, ю0=1,5-Ю15 рад/с) сверхпроводников.

„3___

2 О

¥

10'

10

ю"

10"

10

10"

водородная плазма

.л'. ......... .

сверхпроводники при 7"—зОКрд- ^

......./.......

Ниобий (N4,

5гТЮ3

,„ ' ж фианит Хром (Сг)* (2гО ) Медь (Си) I ^ р>

диэлектрики

....."V........

сапфир (А1203)

хорошие проводники

' идеальный проводник (С&х)

10"

10"

10

10"'

10'

10

Яе( г), Ом

Рис. 1 Комплексная плоскость волнового сопротивления Zl. для диэлектриков, металлов, сверхпроводников и плазмы на частоте 10 ГГц при температуре

77К.

При стремлении диэлектрической проницаемости СП или проводимости металла к бесконечности, волновое сопротивление стремится к нулю вдоль оси 1т(Д^) или линии с углом наклона 45°, соответственно. Когда Zc достигнет начала координат сверхпроводник и идеальный металл неразличимы с макроскопической точки зрения. Для сравнения на комплексной плоскости приведено волновое сопротивление водородной плазмы в установке термоядерного синтеза "ТОКАМАК". Значения 2С плазмы рассчитаны для концентрации электронов ио=Ю20 (ш0=5-1Ои рад/с) при различных значениях частоты столкновений.

Поведение волнового сопротивления СП на комплексной плоскости, при изменении Т/Тс, подчеркивает тот факт, что, в сущности, сверхпроводник не является идеальным проводником с бесконечно большой проводимостью. Скорее его можно определить, как "отрицательный" диэлектрик, или, точнее, как плазменную среду, температуры. Исходя из плазменной модели.

В первой главе развиваемой плазменной

свойства которой существенно зависят от этого, в работе проведен подробный анализ

сформулированы теоретические положения модели сверхпроводимости. Предварительно приводятся уравнения Лондонов и двухжидкостная модель сверхпроводника. В рамках плазменной модели сверхпроводник представляется в виде плазмы, состоящей из "столкновительных" электронов или дырок и "бесстолкновительных" (куперовских пар) частиц. Зависимость плотности частиц составляющих от температуры описывается эмпирическими выражениями Гортера-Казимира:

«О Wc

«о УТС

(1)

где ns, п„ - плотность сверхпроводящих и нормальных частиц.

Гидродинамическое представление достаточно универсально и часто используется при описании свойств различных проводящих сред. В настоящей работе модель получила дальнейшее развитие. Стоит отметить, что плазменная модель может оказаться весьма полезной, с методической точки зрения, для специалистов в области прикладной электродинамики.

Проводится вывод соотношений, определяющих относительную диэлектрическую проницаемость сверхпроводника в рамках модели, которая определяется плазменной частотой ю0, частотой столкновений v, а также долями сверхпроводящей и нормальной компонент:

га

5,(7) +

5„(7)

(1 - ;'v / о).

(2)

Данное соотношение позволяет определить температурные зависимости таких параметров сверхпроводящей плазмы, как постоянную распространения

у=-J1~

ю

со

8 S(T) +

(1 -jv/co),

и волновое сопротивление

Z =

120л

(3)

1-

ш

8ДТ) + -

8,(7)

<в~ V. (l-/v/ca),

Зависимости y=p-ja и Zc от температуры приведены на рис. 2, 3.

2 О о,

N 'ЗГ ей

со.

а"

10' 10: 10" ю1 ю-1 ю-3

Р.

Л

I

шо;=115-1015(Х1(0)=0,2 мкм)

= 2-1013 (

Г= 10 ГГц

/

у=2-1013 (<тп=106См/м_)

0.25

0.50 Т/Т

0.75

1.00

Рис. 2 Зависимости постоянных а и Р электромагнитных волн, распространяющихся в сверхпроводнике, от температуры.

ю

10

10''

10

10

Г= 100 ГГц^-

10

2 О

N ¥

0.1

0.01

0.001

1 1

: ! I Г=10ГГц /1

1 . . 1-Г=1 ГГц

о

0.25 0.50 0.75 1.00

Т/Т

а)

0 0.25 0.50 0.75 1.00 Т/Г

С б)

Рис. 3 Зависимости действительной (а) и мнимой (б) частей Zc от температуры при соо=1,5-1015 рад/с (^=0,2 мкм), у=2-1013 (ап=106 См/м).

В главе проведено сравнение модельных представлений. Получены простые соотношения, связывающие основные параметры двухжидкостной и плазменной моделей: лондоновскую глубину проникновения А^ и плазменную частоту ш0, проводимость несверхпроводящих электронов ап и частоту столкновений V.

Показано, что плазменная модель, наряду с двухжидкостной, хорошо описывает свойства сверхпроводников в переменных полях. Отмечено, что плазменная модель, в принятом виде, также как и двухжидкостная, справедлива лишь в случае локальной связи тока и поля (ток в данной точке пространства определяется только полем в данной точке), не учитывает существование критической частоты, определяемой шириной энергетической щели. Вместе с тем плазменная модель сверхпроводимости проста, наглядна, и при известных ограничениях пригодна для решения многих задач, возникающих при исследовании сверхпроводниковых устройств СВЧ-электроники. Она дает решения, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными наблюдениями.

Отмечено, что плазменная модель имеет ряд привлекательных особенностей, которые дают возможность распространить подходы, принятые при решении некоторых задач физики плазмы на сверхпроводники. Сделано предположение о возможности возникновения в сверхпроводнике плазменных колебаний как куперовских пар (вблизи температуры перехода), так и несверхпроводящих электронов (при стремлении температуры к абсолютному нулю). Кроме того, усовершенствование данной модели и представление сверхпроводника как трехкомпонентной сверхпроводниковой плазмы, позволило сформулировать одну из возможных гипотез, объясняющих существование остаточного поверхностного сопротивления.

Теоретическое исследование плазменной модели показало, что она позволяет получить материальные уравнения сверхпроводника, хорошо согласующиеся с теоретическими и экспериментальными данными, имеющимися в настоящее время. Это дало возможность применить для анализа сверхпроводящих волноводных структур богатый арсенал методов, накопленных при теоретических и экспериментальных исследованиях плазменных и диэлектрических волноводов.

Во второй главе проведено строгое решение электродинамической задачи о распространении электромагнитных волн в направляющих

сверхпроводящих структурах. Решение получено для

идеализированной геометрии в виде диэлектрического зазора между бесконечными сверхпроводящими полупространствами (рис. 4). Выведены соотношения для

составляющих полей

электромагнитных волн,

распространяющихся в

сверхпроводящей среде и в зазоре, записаны соответствующие им характеристические уравнения.

■X

ят.-рг-ь сверхпроводник|

£г диэлектрик ъ

■ --а 1 , „ сверхпроводник •

Рис.4 Диэлектрический зазор между бесконечными сверхпроводящими

полупространствами.

Р = ~№<П, (4) е.

д2 + р2-Я

2

В главе дан полный анализ всех типов электромагнитных волн, распространяющихся с структуре "сверхпроводник - диэлектрик -сверхпроводник". Получены системы трансцендентных уравнений, характеризующих волновые числа. Установлено, что трансформация волн в квази-Т волну, представляющую практический интерес, возможна только для основной четной волны электрического типа. Для волн этого типа система уравнений, определяющих поперечные волновые числа р и ц в сверхпроводнике и зазоре имеет вид (4):

Подробно рассмотрены

особенности продольных и поперечных волновых чисел квази-Т волны и параметров, входящих в исходную

систему (4), определяемых, в основном, свойствами относительной диэлектрической проницаемости сверхпроводника. Обоснован приближенный метод решения исходной системы. Приведена оценка относительной ошибки как численного, так и приближенного метода расчета. Указано, что несмотря на приближенный характер метода, приводящий к значительным ошибкам при вычислении волновых чисел, его целесообразно использовать для начальных приближений итерационного процесса. Это существенно сокращает время вычислительного процесса.

В третьей главе проведен анализ распространения волн в структурах, которые могут служить прототипами реальных полосковых линий передачи. Теоретическое и экспериментальное исследование проведено для следующих геометрий:

- пятислойная симметричная структура, представляющая собой диэлектрический зазор между сверхпроводящими слоями конечной толщины (рис. 5, а);

- трехслойная несимметричная структура, состоящая из диэлектрического зазора между бесконечными полупространствами сверхпроводника и металла (рис. 5, б);

- четырехслойная несимметричная структура, образованная сверхпроводящим слоем конечной толщины, диэлектрическим зазором и полупространством нормального металла (рис. 5, в).

Исследованные геометрии направляющих сверхпроводящих структур изображены на рис. 5. Рядом приведены соответствующие им системы уравнений (5-7), определяющие поперечные волновые числа р, г.

Анализ показал, что постоянные распространения волн в таких линиях существенно зависят, как от свойств материала проводников (параметров сверхпроводника и проводимости нормального металла) и диэлектрика (относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь), так и от геометрии структуры (толщины сверхпроводящего слоя, толщины подложки).

х—а-|

£о

ЕоЕг

бое?

Ео

сверхпроводнику

диэлектрик

сверхпроводник

К 9

агс^

/ \ V Цх)

-1-Чх

(5)

а)

еверхлроводйк!

е«Ег диэлектрик г

, металл

2ад = аг^ / N Ъ-Р + агс^ / N Ь-И

и, д) ит д)

р2+Ч2=к1( вг- е,)

д2 + г2 = к£(ег - Б«)

(6)

б)

Бо = 3+1 X

сверхпроводник

=а 2

=-а ЕоЕг диэлектрик ,

• металл';

2О<7 = аг(^| —- + д)

Ч Ч

Ч\-

р2+д2=к2(гг-1) дг+г2 =к1{гг-гт)

(7)

в)

Рис. 5 Различные геометрии направляющих сверхпроводящих структур.

Кроме того, показано, что строгий электродинамический анализ различных направляющих сверхпроводящих структур дает результаты, отличающиеся от результатов, получаемых при традиционных методах расчета по приближенным аналитическим формулам. Основное отличие заключается в особенности поведения фазовой скорости электромагнитных волн вблизи температуры перехода Тс.

х

ъ

х—а

С целью выяснения влияния параметров сверхпроводника на особенность поведения фазовой скорости вблизи Тс был проведен ряд расчетов Уф(Т) для различных значений плазменной частоты со0 (глубины проникновения ^L(0)) и частоты столкновений v.

0.92

0.980 0.985 0.990 0.995 1.000 1.005

Т/Т

с

Рис. 6 Зависимость Уф(7) при различных значениях о0 (IL(0)).

о

0.980 0.985 0.990 0.995 1.000 1.005

ТЯ

Рис. 7 Зависимость Уф(7) при различных значениях частоты столкновений V.

Результат теоретического исследования влияния ш0 на уф(7) приведен на рис. 6. Расчеты сделаны для структуры, изображенной на рис. 4, на рабочей частоте 10 ГГц, при £¡=9,5; у=2-1013 рад/с (сгп=10б См/м). Для удобства произведено нормирование Уф(7) на значение фазовой скорости при Г—>0К (Уф(7)/Уф(0К)). На рис. 7 приведены теоретические расчеты, показывающие влияние частоты столкновений на поведение Уф вблизи Тс. Расчеты проведены для рабочей частоты 10 ГГц при ег=9,5; Шо= 1,5-1015 рад/с (Яь(0)=0,2 мкм).

Существование особенности поведения фазовой скорости вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние нашло свое подтверждение в экспериментальных результатах. В главе дан подробный анализ влияния параметров сверхпроводника (плазменной частоты и частоты столкновений) и толщины проводящих слоев на поведение фазовой скорости вблизи Тс. Теоретически показано, что величина плазменной частоты (лондоновской глубины проникновения) влияет на значение минимума фазовой скорости. В то время частота столкновений (проводимость несверхпроводящих частиц) кроме того определяет ширину температурного интервала, в котором наблюдается экстремум фазовой скорости. Возможно, что анализ поведения фазовой скорости в окрестности Тс может дать дополнительную информацию о частотах столкновений нормальных частиц при температурах ниже температуры перехода. Как литературные данные, так и ряд собственных экспериментов подтвердили наличие данной особенности поведения уф вблизи температуры перехода. Это явление может быть важно для выяснения макроскопических свойств сверхпроводника и для некоторых применений в активных элементах, имеющих рабочую точку вблизи температуры перехода.

В четвертой главе проведен аналитический обзор свойств тонких пленок ВТСП, наиболее важных с точки зрения их практического применения в пассивных устройствах СВЧ-электроники. Основное внимание было уделено поверхностному сопротивлению (Я5), определяющему потери в элементах тракта СВЧ. Теоретические исследования показали, что в сантиметровом диапазоне длин волн величина поверхностного сопротивления высокотемпературных сверхпроводников на несколько порядков меньше обычных металлов при прочих равных условиях. Результаты экспериментов подтвердили теоретические оценки. Показано, что любое несовершенство кристаллической структуры пленок, неравномерность толщины пленки, микротрещины, поры приводят к ухудшению микроволновых свойств пленок.

Проведен обзор методов измерения и расчета поверхностного сопротивления. Существующие методы измерения Я, можно разделить на два направления. Первое - расчет исходя из возмущения, вносимого пленкой

ВТСП в измерительный резонатор. Второе - вычисление Rs из результатов измерения добротностей полосковых ВТСП резонаторов. В работе использован второй метод, так как он позволяет получить полную оценку импедансных свойств структуры "пленка ВТСП - подложка - заземляющая плоскость". Это важно для структур, выполненных из пленок, неоднородных по толщине, при использовании буферных слоев, а также при нанесении ВТСП на обратную сторону подложки.

Для измерения Rs по данной методике и постановке экспериментов по исследованию полосковых СВЧ-структур на основе тонких пленок ВТСП в сантиметровом диапазоне длин волн, при криогенных температурах, был спроектирован и изготовлен автоматизированный стенд. Он позволяет производить исследования частотных и температурных характеристик различных микрополосковых и копланарных СВЧ-структур (линий задержки, резонаторов, фильтров) на подложках произвольной толщины с площадью до 30x30 мм2. Для охлаждения исследуемых СВЧ-элементов до криогенных температур используется жидкий азот. Конструкция криостата позволяет получать температуру измерений ниже температуры кипения азота (^uh=77,3K), за счет откачки его паров из охлаждающего объема.

Основу стенда составляют следующие части (рис. 8): панорамный измеритель комплексных

коэффициентов передачи Р4-36 (1); сопряженный с компьютером IBM PC/AT (3) посредством

интерфейсного блока (2); систему измерения

температуры, включающую в себя датчик температуры (7), нановольтметр В2-38 (8), интерфейс МЭК (IEEE-488) (9) и специализированный криостат (5). Конструкция криостата включает в себя систему размещения исследуемой структуры (измерительный отсек СВЧ) (6), систему ввода и вывода СВЧ-энергии, систему охлаждения СВЧ-зонда, систему двухступенчатой откачки.

На измерительном стенде проведено множество экспериментов по измерению частотных и температурных характеристик пассивных элементов тракта СВЧ, изготовленных как из ВТСП, так и из обычных металлов. В работе намечены пути совершенствования стенда и методики измерений.

В пятой главе показано, что технология синтеза тонких пленок сверхпроводников накладывает некоторые ограничения на топологию сверхпроводящих полосковых линий передачи. Основная проблема заключается в сложности и воспроизводимости процессов получения

1 2 3 4

Р4-36 Иетерфейс IBM PC/AT Пршггер

Р4-36

4-

0иЦ

5 Криостат I _______1

8 9

В2-38 Интерфейс

МЭК

Рис. 8 Структурная схема измерительного стенда.

качественных пленок ВТСП, достаточной толщины, и нанесения их на обе стороны подложки. Таким образом, существующая технология синтеза новых сверхпроводников диктует во многих случаях необходимость использования частей линий передачи, изготовленных из обычных металлов. Для выяснения влияния несверхпроводящей заземляющей плоскости был осуществлен цикл экспериментов по исследованию микрополосковых ВТСП резонаторов. Суть экспериментов заключалась в проведении нескольких измерений параметров одного и того же резонатора с заземляющими плоскостями, изготовленными из материалов с различной проводимостью (бронзы, меди и серебра). На рис. 9(а) приведены экспериментальные зависимости нагруженной добротности микрополоскового ВТСП резонатора (пленка УВагСизСЬ.х) от температуры с латунной и медной заземляющей плоскостями (Гр=9,0 ГГц).

ТК т.к.

а) б)

Рис. 9 Сравнение экспериментальных и теоретических зависимостей постояшюй затухания от температуры микрополосковой сверхпроводящей структуры с латунной и медной заземляющими плоскостями.

На основании экспериментальных данных проведены расчеты постоянной затухания. Полученные результаты сравнивались с теоретическими расчетами структуры "сверхпроводник-диэлектрик-металл" (см. рис. 9, б). Наилучшее совпадение эксперимента и теории достигается при со0=6-1014 (Х.ь(0)=0,5 мкм) и у=5-1012. В расчетах использовалась линейная зависимость проводимости металлов от температуры.

Теоретические расчеты хорошо подтвердились экспериментами по измерению частотных и температурных характеристик микрополосковых резонаторов, выполненных на основе тонких пленок ВТСП. И теория и эксперимент показали существенное влияние заземляющей плоскости на коэффициент затухания в структуре "сверхпроводник-диэлектрик-металл",

обусловленное конечной проводимостью металла. Был также проведен эксперимент с со сверхпроводящей пленкой НоВа2СизС>7_х, нанесенной с двух сторон подложки. Измерения микрополоскового резонатора (^,=9,0 ГТц), выполненного в такой геометрии показали отсутствие ограничения нагруженной добротности в доступном интервале температур, что наблюдалось при измерениях идентичного ВТСП-резонатора в структуре с заземляющей плоскостью из металла (рис. 10).

8000 7000 6000 5000 О 4000 3000 2000 1000

« втсп+втсп

и.....а ВТСП+серебро

идентичный МПЛ-резонатор,-~5 изготовленный из меди

о 60

Рис. 10 Зависимость

нагруженной добротности МПЛ-резонатора от температуры с заземляющими плоскостями, изготовленными из серебра и ВТСП.

65

70

75

80

85

90

Т,К

Для достижения максимального значения добротности при использовании односторонних пленок ВТСП были исследованы свойства копланарных резонаторов. Для проведения экспериментов были изготовлены копланарный ВТСП-резонатор из тонкой пленки ЬиВа2Си307_х на подложке ЬаАЮ3 и, для сравнения, идентичный резонатор из меди. Результаты измерения нагруженной добротности обоих резонаторов представлены на рис. 11. Получены значения нагруженной добронтости: £>„«2000 при 77 К и <2Н&6000 при 66 К на частоте 6,09 ГГц, при этой же температуре добротность идентичного резонатора из меди составляет около 160.

Известно, что пленки ВТСП на основе таллия имеют температуру перехода в сверхпроводящее состояние более высокую, чем пленки висмутовых и иттриевых групп. Поэтому интересно сравнить микроволновые свойства пленок ВТСП различных составов. Сравнение произведено для соединений ЬиВа2Си307.х и Т12Ва2СаСи207.х путем исследования температурных характеристик копланарных резонаторов одинаковых геометрий, выполненных на основе этих пленок. Результаты экспериментального сравнения приведены на рис. 11.

6000 5000 4000 (}н 3000 2000 1000

% ко 1д1Ва яланарны ЗлО-рею! I атор

чЬ /

•»■■•'Здй ТЮ ч, кшиыгц СаСиОр ный зонатор

енгачныр резогато; 1 1 С ч V

\ \ \

0 66

Рис. 11 Сравнение зависимостей нагруженной добротности от температуры копланарных резонаторов, изготовленных из ВТСП различных составов.

70

74

78

Т,К

¡52

86

90

Видно, что структура на основе Т12Ва2СаСи207.х по температурной шкале существенно раньше начинает проявлять резонансные свойства. Однако при более низких температурах для Т12Ва2СаСи207_х-резонатора наблюдается ограничение добротности на уровне 3000, в то время как для ЬиВа2Си307.х-резонатора продолжается рост добротности при снижении температуры. Небольшой изгиб на зависимости добротности таллиевого резонатора от температуры может объяснятся ускоренным изменением температуры выше точки кипения азота. Наши результаты подтверждают данные прежних публикаций о существенном остаточном сопротивлении таллиевых пленок, обусловленным их высокой гранулярнстью.

Значения добротностей полученных в этом цикле экспериментов для копланарных ВТСП-резонаторов, не уступают лучшим результатам, известным на настоящий момент.

В заключении приведен краткий обзор основных результатов и общие выводы по проделанной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Развита плазменная модель сверхпроводящей среды. Проведено сравнение

различных модельных представлений сверхпроводника. Определены возможные направления развития плазменной модели.

2. Получено строгое решение электродинамической задачи о

распространении электромагнитных волн в направляющих сверхпроводящих структурах с привлечением методов, разработанных для плазменных и диэлектрических волноводов. Решение найдено для

структур различных геометрий, которые могут служить прототипам! сверхпроводящих полосковых линий передачи.

3. Проведен подробный анализ особенности поведения фазовой скороси

электромагнитных волн, распространяющихся в сверхпроводящш направляющих структурах, вблизи температуры перехода i сверхпроводящее состояние. Теоретический расчет подтвержден экспериментальными результатами.

4. Спроектирован и изготовлен автоматизированный стенд для исследования

частотных и температурных характеристик полосковых СВЧ-структур (линий задержки, резонаторов, фильтров) на основе тонких пленок ВТСП в сантиметровом диапазоне длин волн при криогенных температурах.

5. Рассмотрены возможности повышения добротностей полосковых

резонаторов различных типов с учетом особенностей синтеза тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников.

6. Экспериментально достигнуты высокие значения нагруженных

добротностей полосковых резонаторов, изготовленных из тонких пленок различных соединений ВТСП на основе иттрия, лютеция, таллия, гольмия.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жгун С.А., Кужахметов А.Р., Лобов Г.Д. Автоматизированный стенд для

определения СВЧ-параметров тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников // Международная конференция по

электротехническим материалам и компонентам: Тезисы докладов. -Крым: 1995.-С.83.

2. Жгун С.А., Кужахметов А.Р., Лобов Г.Д., Кислинский Ю.В., Степанцов Е.А. Синхронизация колебаний ВТСП джозефсоновских переходов до 2,5 ТГц. Сверхпроводимость: физика, химия, техника. - 1995. - №1. -С.142-146.

3. Жгун С.А., Кужахметов А.Р., Лобов Г.Д., Кислинский Ю.В., Степанцов Е.А. Синхронизация колебаний до 2,5 ТГц джозефсоновских переходов при 77 К // Applied Superconductivity. - 1995. - Vol.3. - № 11/12. ■ pp.615-619. (на англ.)

4. Жгун С.А., Кужахметов А.Р., Лобов Г.Д., Сухов В.А., Морозов К.А., Кислинский Ю.В. Некоторые проблемы конструирования автогенераторов на ВТСП джозефсоновских переходах // Международная научно-техническая конференция "Проблемы радиоэлектроники": Тезисы докладов. - Москва: 1995. - С.12-14.

5. Жгун С.А., Кужахметов А.Р., Лобов Г.Д. Некоторые аспекты химического травления тонких пленок ВТСП для применений в микроэлектронике // IV Международная конференция по химии и технологии ВТСП: Тезисы докладов. - Москва: 1995. Р-54. (на англ.)

5. Горбенко О.Ю., Самойленков С.В., Ребане Я.А., Кауль А.Р., Третьяков Ю.Д., Жгун С.А., Кужахметов А.Р. Тонкие пленки LuBaCuO, полученные методом MOCVD // IV Международная конференция по химии и технологии ВТСП: Тез. докл. - Москва: 1995. Р-78. (на англ.)

7. Самойленков С.В., Горбенко О.Ю., Кауль А.Р., Жгун С.А., Кужахметов А.Р. Микрополосковые резонаторы из тонких пленок LuBaCuO, полученных методом MOCVD // Международная конференция по технологии электроники: Тез.докл. - Москва: 1995. pp. 148-153. (на англ.)

8. Жгун С.А., Кужахметов А.Р., Лобов Г.Д. Исследование частотных характеристик микрополосковых структур на основе тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников // Труды международных конференций по гиромагнитной бестоковой электронике МКБЭ. Москва. Изд. МЭИ: - 1995. - С.612-617.

9. Бекетов М.П., Кужахметов А.Р., Рыжков В.А., Сухов В.А., ВербилоА.В., Жгун С.А. Структура и критические параметры пленок YBaCuO, полученных на различных подложках // V Международная конференция "CRIOGENICS-96": Тез. докл. - Прага: 1995. - pp. 107-110. (на англ.)

10. Самойленков С.В., Горбенко О.Ю., Кауль А.Р., Третьяков Ю.Д., Жгун С.А., Кужахметов А.Р., Пан В.М., Соловьев В.Ф. Анализ распределения носителей заряда в RBaCuO и сверхпроводящие свойства тонких пленок LuBaCuO с разным содержанием кислорода // IX Немецко-российско-украинский семинар по высокотемпературной сверхпроводимости: Тез. докл. - Габельбах, Германия: 1996. (на англ.)

И. Кужахметов А.Р., Лобов Г.Д., Жгун С.А., Горбенко О.Ю., Кауль А.Р., Самойленков С.В. Оптимизация микроволновых свойств тонких пленок LuBaCuO, полученных методом MOCVD // XIII Международная конференция по СВЧ-ферромагнетизму: Тез. докл. - Бустени, Румыния: 1996. - рр.267-271. (на англ.)

12. Жгун С.А., Жилейко Г.И., Кужахметов А.Р., Лобов Г.Д., Горбенко О.Ю., Кауль А.Р., Самойленков С.В., Иванов А.А. Высокодобротные копланарные резонаторы на основе тонких пленок ВТСП // II Международная конференция по электромеханике и электротехнологии: Тезисы докладов. - Крым: - 1996, - С.119.

13. Самойленков С.В., Горбенко О.Ю., Ребане Я.А., Кауль А.Р., Жгун С.А., Кужахметов А.Р. Свойства тонких пленок LuBa2Cu307.x, полученных методом MOCVD // "Functional Materials". - 1996, - Vol.3, - № 2. - pp.131135. (на англ.)

Подписано к печати Л-

Печ.л. 1,25

Тираж 100 экз.

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13