高溫超導約瑟夫森結及陣列毫米波特性研究.pdf

1、近年來,超導電子學的研究和應用得到了飛速的發(fā)展。以約瑟夫森效應和磁通量子化效應為基礎發(fā)展起來的一系列超導電子學器件如超導SQUID、混頻器、微波和遠紅外波段的檢測器、高頻信號發(fā)生器、參量放大器、電壓基準和超導數字電路等具有噪聲低、功耗小、靈敏度高、響應速度快和頻率覆蓋寬等一系列優(yōu)異的性能,在軍事、航空航天、醫(yī)學等領域中具有十分重要的應用。本論文通過仿真和實驗測量的方法對高溫超導約瑟夫森結的高頻特性及其應用進行了較為系統的研究,具體的研究

2、內容及其成果歸納如下:
　　 1、利用CST三維電磁仿真軟件設計并制作了一套8mm波段半共焦Fabry-Perot諧振腔,并用它建立起一套高溫超導約瑟夫森結特性測量系統。此系統具有以下幾個重要的特點:第一、通過螺旋測微器可以精細調節(jié)諧振腔兩鏡面之間的距離,可使諧振腔工作在TEM00q基模狀態(tài)下,此時腔內電磁場呈高斯駐波分布,在近軸區(qū)域近似于空間平面波。這樣的場分布非常適合于用來觀測約瑟夫森結的微波輻照特性。第二,可以精細調節(jié)樣品

3、在諧振腔中的位置,使樣品處在腔內電場較強的地方。第三,可以方便地改變腔內電場的方向。通過精細調節(jié)這些結構參數,可使約瑟夫森結與外加電磁場處于最佳耦合狀態(tài),觀測到高質量的Shapiro臺階。這在電壓基準以及THz波信號發(fā)生和檢測方面有重要的意義。
　　 2、通過實驗研究了T1-2212高溫超導薄膜雙晶約瑟夫森結的特性。雖然國際上已經對高溫超導約瑟夫森結的特性進行了充分的研究,并報導了很多的研究成果,但他們主要針對用YBCO高溫超導

4、薄膜制備的約瑟夫森結的特性進行研究,而用T12Ba2CaCu2O8超導薄膜制備的約瑟夫森結的特性研究不多,特別是用SrTiO3基片作襯底的情況。由于鉈膜比釔膜具有更高的臨界轉變溫度,更耐潮,因此更適合于用來制作微波應用的器件,對用鉈膜制成的雙晶約瑟夫森結的特性進行研究,有重大的意義。特別地,本論文所用的約瑟夫森結是由生長在雙晶SrTiO3襯底上的T1-2212高溫超導薄膜制備的。一般來說,SrTiO3襯底的介電常數較大,損耗角的正切也較

5、大,不利于器件的高頻應用,但本研究結果表明,用SrTiO3襯底制備的雙晶約瑟夫森結在毫米波輻照下,也能觀測到陡直的、幅度較高的Shapiro臺階。
　　 3、通過實驗研究了YBCO高溫超導雙晶約瑟夫森結陣列的毫米波輻射特性。研究發(fā)現,由于單個約瑟夫森結的阻抗太小,很難實現與外部微波電路的阻抗匹配,因此輻射功率很小,沒有實用價值。為了有效提高約瑟夫森結的輻射功率,我們采用多個雙晶約瑟夫森結串聯,集成半波偶極天線陣,介質諧振器(介質

6、基片)和Fabry-Perot諧振器共同作用的方法。研究結果表明此方法可有效地提高雙晶約瑟夫森結的輻射功率。這對用約瑟夫森結制作高頻信號發(fā)生器有重要的意義。
　　 4、利用傾斜生長的T1-2212高溫超導薄膜制備出本征約瑟夫森結陣列,分別測量到多分支和單分支結構的Ⅰ-Ⅴ特性曲線。特性曲線具有很強的回滯,證明T1-2212薄膜本征結陣列是屬于SIS類型。多分支結構的出現是由于結尺寸的不一致性造成的,改進刻蝕工藝后,得到單分支結構的