Дослідження ВТНП-плівок
В цій роботі описується установка для дослідження НВЧ-
властивостей високотемпературних надпровідників резонансним методом,з
наведенням характеристик основних її елементів,приводиться теоретичне
обгрунтування застосування резонансних методів дослідження НВЧ -
властивостей високотемпературних надпровідникових плівок, описується
методика вимірювання поверхневого імпедансу ВТНП-плівок, з аналізом
можливих похибок .
Зміст.
Вступ.................................................................
.........................................2
Розділ 1. Огляд
літератури............................................................
..........3
1. Високотемпературні
надровідники...................................................
.................................3
2. НВЧ властивості плівок
ВТНП...................................................6
3. Поняття поверхневого
імпедансу................................................8
4. Залишковий поверхневий НВЧ
опір...........................................12
5. Поведінка надпровідників в зовнішніх магнітних полях.
Надпровідники другого роду.
.......................................................14
6. Поведінка тонких плівок ВТНП у магнітному полі. Модель Коффі -
Клема..........................................................
.................................20
Розділ 2. Методична
частина..............................................................26
1. Методика вимірювання поверхневого імпедансу і аналіз вимог до
вимірювальних
резонаторів....................................................
......26.
2. Візуалізація полів у
резонаторі.................................................29
3. Дослідження плівок по НВЧ
втратам.....................................31
Розділ 3.
Установка...................................................................
............33
3.1.Блок-схема
установки.................................................................33
2 Надпровідний
магніт...........................................................
........34
2 Прохідний мідний
резонатор.......................................................3
5
а)візуалізація полів у
резонаторі...................................................35
б)вимірювання добротності
резонатора......................................37
Висновки..............................................................
...................................39
Література............................................................
................................40
Вступ.
Відкриття у 1986 році високотемпературної надпровідності та нового
класу металооксидних надпровідників дало потужний поштовх дослідженням в
цій області. Досягнуте в 1987 році підвищення критичної температури до
Т>90К створило принципово нові можливості для надпровідникової електроніки.
Практичне використання надпровідників для створення НВЧ пристроїв дозволяє
одержувати унікальні показники характеристик (добротності,чутливості,
швидкодії,затухання та інших),які не можливо отримати при використанні
звичайних металевих провідниів.
Для успішного дослідження високотемпературних (ВТНП)
матеріалів,особливо при відсутності задовільних теоретичних моделей
процесів,що в них відбуваються, велике значення має створення по можливості
більш точних методів і засобів вимірювання їх характеристичних
параметрів,із яких одним з основних являється поверхневий імпеданс на НВЧ.
Його активна компонента характеризує співвідношення спарених і одиничних
носіїв заряду , а уявна компонента- глибину проникнення магнітного поля в
ВТНП , а значить , довжину корреляції і вільного пробігу спарених
електронів. Визначення абсолютної величини опору має велике значення для
створення технології виробництва високоякісних плівок ВТНП. Величина
поверхневого опору, як інтегральна характеристика матеріалу дозволяє
отримати відомості про наявність в цій плівці дефектів та визначити їх тип
і концентрацію. Особливо це прояляється при застосуванні потужних магнітних
полів порядку десятків кілоерстед.
Із можливих методів вимірювання поверхневого імпедансу найменшу
похибку мають резонансні методи, оскільки вони побудовані на основі
вимірювань частоти і фази, похибка в визначенні яких значно менша, ніж при
амплітудних вимірюваннях.
РОЗДIЛ I. Огляд літератури.
1.1. Високотемпературні надпровідники.
В даний час до високотемпературних надпровідників ( ВТНП) відносяться
з’єднання, які основані на оксидах міді і мають температуру надпровідного
переходу в області азотних температур.. Зараз відомо більше двох десятків
високотемпературних надпровідників, які є купратами різних металів.
По основному металу вони відповідно називаються ітриєвими
(наприклад, YBa2Cu3O7-(, Тс(90К ), вісмутовими ( Bi2Sr2CaCu2O8, Тс(95К
), талієвими (Tl2Ba2CaCu2O8, Тс(110К ), ртутними
(HgBa2CaCu2O8, Tc(125K ) ВТНП.
Практично всі ВТНП мають слоїсту структуру типу перовскіта з
площинами із атомів Cu і O. На рис1.1.1 показана структура типового широко
розповсюдженого високотемпературного
-(.
Рис.1.1.1. Кристалографічна структура YBa2Cu3O7-(.
надпровідника - ітриєвого з’єднання YBa2Cu3O7-(.
Результати багаточисленних експерементів підтверджують припущення ,
що площини з киснем є основним об’єктом в кристалографічній гратці, вони
відповідають як за провідність цих оксидних з’єднань, так і за винткнення в
них надпровідності при високих температурах.
Високотемпературні надпровідники є типовими представниками
надпровідників ІІ роду з дуже великим співвідношенням лондоновської
довжини до довжини когерентності - порядку де-кількох сотень. Тому друге
критичне поле Нс2 має дуже високе значення. На приклад, у Ві 2212 воно
становить примірно 400Тл, а Нс1 рівне де-кільком сотням ерстед ( в
залежності від орієнтацій поля відносно кристала ).
В монокристалах високотемпературних надпровідників в магнітних полях,
більше Нс1, спостерігається вихрьова структура, подібна тій, що раніше була
знайдена в традиційних надпровідниках ІІ роду.
Для більшості ВТНП характерна сильна анізотропія, що призводить до
дуже незвичного характеру залежності магнітного момента цих речовин від
величини поля у випадку, коли поле нахилено до основних кристалографічних
осей. Суть ефекту полягає в тому, що внаслідок значної анізотропії
вихрьовим лініям спочатку енергетично вигідно розміщуватись між шарами CuO2
в площині (ab) ( в площині шарів ) і лиш потім, після перевищення де-якого
поля, починають пронизувати ab-площини.
| | |Кількість| | | | |
|З’єднання |ТС, К | |(a,b, нм |((, нм |( a,b, нм|(((, нм |
| | |CuO-шарів| | | | |
|La1.85Sr0.15Cu|40 |1 |80 |430 |3,7 |0,7 |
|O4 | | | | | | |
|YBa2Cu3O7 |95 |2 |27 |180 |3,1 |0,4 |
|Bi2Sr2CaCu2O8 |95 |2 |25 |500 |3,8-1,8 |0,2 |
|Bi2Sr2Ca2Cu3O1|115 |3 |500 |3,0 |1 вираз (1.2.7) відповідає багатократно експерементально
підтвердженому факту лінійної залежності питомого опору ВТНП-матеріалів від
температури. На основі (1.2.2, 1.2.6 і 1.2.7) можна зробити висновок, що
(N(t)=t1/2, t>(N,
оскільки в надпровіднику при TНс1 магнітні вихрі починають проникати в надпровідник, розташовуючись
паралельно зовнішнньому магнітному полю. Розрахунки показують [ 17 ], що
нитки починають утворюватись, коли напруженність поля Н>Нс1 досягає
значення
[pic].
(1.5.3)
При дальшому збільшенні поля проникання магнітного потоку всередену зразка
відбувається у вигляді віддалених одної від одної вихрьових ниток,
створюючих структуру типу гратки з дуже великим періодом. В полях, близьких
Нс2 , в вузлах решітки поле (2 рівне нулю, а магнітне поле має максимальне
значення і практично відсутнє в проміжках між нитками ( надпровідна фаза ).
При достатньому віддалені ниток однієї від одної їх можна вважати
незалежними і розглядати одну окрему нитку. По структурі вихрьова нитка
складається в основному з двох областей: центральної циліндричної області з
діаметром, приблизно рівним довжині когерентності (0. В цій області густина
надпровідних електронів [pic] виростає від нуля до одиниці. Цю внутрішню
область охоплює зовнішня циліндрична область, з радіусом порядка глибини
Рис.1.5.2. Ізольована вихрьова нитка Абрикосова: Вz-лінії магнітного
поля; j(-замкнуті лінії надпровідного струму.
проникнення L, магнітного поля. В цій області циркулюють незатухаючі
струми, необхідні для створення одного кванту Ф0 магнітного потоку.
Структура ізольованої вихрьової нитки показана на рис.1.5.2.
Енергія одиниці довжини нитки визначається виразом
[pic]
(1.5.4)
Випливає, що без врахування взаємодії ниток енергія N вихрьових ниток, які
перетинають одиницю площі, рівна N(S. Вільна енергія надпровідника
визначається виразом
