КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ІВАНЮТА ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.272.832.01, 537.312.62, 537.86, 539.737.3,

ЛІНІЙНИЙ ЛАНЦЮЖОК ДЖОЗЕФСОНІВСЬКИХ КОНТАКТІВ

У РЕЗОНАТОРІ ПОВЕРХНЕВОЇ ХВИЛІ

01.04.03 – радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті

імені Тараса Шевченка

Науковий керівник – доктор фізико-математичних наук,

професор Мелков Генадій Андрійович,

Київський Національний університет імені Тараса Шевченка

завідувач кафедри кріогенної та мікроелектроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, доцент

Шатернік Володимир Євгенович, Інституту металофізики

ім. Г.В. Курдюмова НАН України, провідний науковий співробітник

кафедри надпровідної електроніки.

кандидат фізико-математичних наук, Кузнецов Генадій Васильович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, старший

науковий співробітник кафедри твердотільної електроніки.

Провідна установа – Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, м. Київ.

Захист відбудеться “. 22 ” …вересня… 2003 р. о _16_ годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д .001.31 в Київському національному

університеті імені Тараса Шевченка

(01017, м. Київ, проспект Глушкова, 2, корпус 6).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського

національного університету імені Тараса Шевченка

(м. Київ, вул. Володимирська 64).

Автореферат розісланий “…21…” …08… 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Шкавро А.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із шляхів подальшого розвитку сучасних радіоелектронних приладів є використання високотемпературних надпровідників (ВТНП). В області НВЧ електро-ніки на основі ВТНП можуть бути сконструйовані високодобротні коливальні системи, НВЧ приймачі та генератори, стандарти постійної напруги. Але в наш час високими характеристиками ці прилади володіють лише при використанні низькотемпературних надпровідників. Особливо це відноситься до приладів, що використовують джозефсонівські контакти (ДК) - тут застосування ВТНП знаходиться лише на стадії вивчення. Найбільш перспективний шлях у цьому напрямку – використання одно- та двовимірних лінійних ланцюжків (ЛЛ) та граткок синхронізованих ДК.

В вимірювальній техніці та електроніці широке застосування знайшли мікросмужкові та площинно паралельні резонатори. Їх виготовлення технологічно ускладнюється із збільшенням частоти. При цьому зростає собівартість та втрати в зовнішніх підвідних кабелях. Враховуючи ці обставини, виникла необхідність створення, технологічно простих резонаторів із однією металізо-ваною або надпровідною поверхнею. Вони працюють на поверхневій електромагнітній хвилі (ПЕМХ), що розповсюджується вздовж провідної поверхні з кінцевою провідністю (хвиля Ценека) або вздовж металу (навіть ідеального), покритого діелектриком. Різноманітних пристроїв на осно-ві ПЕМХ розроблено вже досить багато. Але більшість з них має досить складну електродинаміч-ну систему збудження та потребує подальшого узгодження з лінією передачі.

Сучасні первинні стандарти напруги базуються на нестаціонарному ефекті Джозефсона. Вихідна напруга первинного стандарту Джозефсона визначається лише фундаментальними фізич-ними константами і точністю встановлення мікрохвильової частоти. Незважаючи на світове виз-нання цих ета-лонів, можна відзначити, принаймні, два їхні недоліки. користування рідким гелієм та складністю точного встановлення вихідної напруги на мікросхемі, тому що в сучасних стандартах використовуються ДК з гістере-зисною вольт-амперною характеристикою (ВАХ).

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота над дисертацією виконувалась в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка в рамках держбюджетних науково–дослідних робіт “Нелінійні коливання та хвилі НВЧ у високотемпературних надпровідниках та магнетиках” (№ держреєстрації: 0197U003174) – відповідальний викона-вець та № 01БФ052-01 “Енергетично ефективні методи передачі та обробки сигналів НВЧ та оптичного діапазонів” (№ держреєстрації 0101U002878) – керівник напрямку експериментальних досліджень НВЧ властивостей ВТНП.

Мета та задачі дослідження. Розробка фізичних основ роботи та експериментальні дослідження НВЧ властивостей симетричних ВТНП бікристалічних ДК, що інтегровані в резона-тор поверхневої хвилі (РПХ). Дослідження НВЧ характеристик лінійних ланцюжків (ЛЛ) ДК у РПХ з метою отримання оптимальних параметрів для побудови, зокрема еталонів напруги в сантиметро-вому та міліметровому діапазоні довжин хвиль.

Для досягнення зазначеної мети було сформульовано такі основні задачі дослідження:

Розробка методик експериментальних досліджень: поверхневого імпедансу ВТНП та ме-талевих плівок; НВЧ властивостей РПХ; елементів топології для включення ЛЛ ДК у РПХ; бікристалічних ДК, що інтегровані в РПХ; ВАХ цих ДК без та під дією зовніш-нього НВЧ опромінення; параметрів сходинок Шапіро, що виникають на ВАХ ДК у РПХ;

Розробка електродинамічної системи збудження ЛЛ ДК на основі РПХ, поєднаних послідовно по постійному та паралельно по НВЧ струмам. Дослідження РПХ у хвилеводі, в тому числі при наявності неоднорідностей, пов’язаних з включенням ЛЛ ДК;

Експериментальне знаходження умов оптимізації взаємодії ЛЛ ДК, включеного у РПХ із зовнішнім НВЧ полем основного мода коливань Н10 прямокутного хвилеводу.

Дослідження ВАХ ДК без та під дією зовнішнього НВЧ опромінення та вимірювання параметрів сходинок Шапіро, що виникають на їх ВАХ.

Дослідження можливості створення первинних робочих стандартів напруги на основі ЛЛ ДК, поєднаних послідовно по постійному та паралельно по НВЧ струмам.

Об’єкт дослідження – симетричні ВТНП бікристалічні ДК, що інтегровані в РПХ.

Предмет дослідження – статичні та динамічні ВАХ ДК під дією електромагнітних полів, а також зворотній вплив цих контактів на мікрохвильові властивості РПХ.

Методи дослідження: Метод об’ємного резонатора – при атестації та перевірці результа-тів вимірювань за розвинутими методиками експериментальних досліджень НВЧ властиво-стей тонких металевих і ВТНП плівок. Метод на проходження сигналу через досліджуваний зразок – при визначенні НВЧ властивостей РПХ та ЛЛ ДК включеного у нього. Метод рефлектометрії – при визначенні мікрохвильових властивостей РПХ та ЛЛ ДК включеного у нього. Метод зонду – при вимірюванні розподілу полів в РПХ та його топологій зі сформованим ЛЛ ДК. Метод чоти-рьох зондів - при вимірюванні ВАХ окремого та ЛЛ ДК включеного у РПХ. Метод термоелек-тронного перетворення - при вимірюванні абсолютних значень НВЧ потужності, що діє на ДК.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в роботі вперше:

Експериментально встановлені оптимальні умови збудження основною модою Н10 прямокутного хвилеводу коливань у напівхвильовому та чвертьхвильовому резонаторі поверхневої хвилі з металевою або надпровідною поверхнею;

Розроблено нову електродинамічну систему збудження ВТНП бікристалічних джозефсонівських контактів у прямокутних хвилеводах на основі резонатора поверхневої хвилі та топологію побудови на їх основі лінійного ланцюжка в якому вони поєднані послідовно по постійному та паралельно по змінному струмам;

Експериментально встановлено розподіл полів у резонаторі поверхневої хвилі, в його топологіях, зокрема над сформованим лінійним ланцюжком джозефсонівських контактів.

Експериментально досліджені статичні та динамічні ВАХ лінійного ланцюжка з ВТНП бікристалічними джозефсонівськими контактами, що включений у резонатор поверхневої хвилі та вплив на них зовнішнього електромагнітного сигналу;

Знайдено оптимальні умови для отримання максимальних за амплітудою сходинок Шапіро на ВАХ окремого та лінійного ланцюжка джозефсонівських контактів з різним ступенем їх інтеграції у резонаторі поверхневої хвилі. Досягнуто напругу 30 мВ на першій сумарній сходинці струму на ВАХ лінійного ланцюжка з 450 контактів.

Встановлено що, критерієм синхронної роботи ВТНП джозефсонівських контактів у ліній-ному ланцюжку, що інтегрований у резонатор поверхневої хвилі є розкид їх критичних пара-метрів ДК (? та досліджено вплив цього розкиду на крутизну сходинок Шапіро.

Запропоновано методику досліджень за допомогою напівхвильового та чвертьхвильового РПХ якості тонких металевих та надпровідних плівок, топологій на їх основі, а також включених в ці резонатори симетричних бікристалічних ДК на основі ВТНП.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблено новий тип НВЧ резонатора – РПХ, який може бути використа-ний як основа побудови НВЧ пристроїв. Визначені оптимальні умови збудження РПХ основною модою Н10 прямокутного хвилево-ду. Розроблено топології включення ланцюжка ДК послідовно включених по постійному та паралельно по НВЧ струмам у РПХ. Показано можливість застосування взаємної синхронізації масиву ДК у РПХ для створення джозефсонівських стандартів напруги.

Особистий внесок здобувача. Виконання всіх описаних в роботі експериментальних до-сліджень: оптимальних умов збудження РПХ з металевою або надпровідною поверхнею ос-новною модою Н10 прямокутного хвилеводу; розподілу полів у РПХ та в топологіях зі сфор-мованим ЛЛ ДК включеним у нього, що розташований в прямокутному хвилеводі; по знаход-женню емпіричних виразів для наближеної оцінки якості сформованих на поверхні РПХ топологій; ВАХ ЛЛ бікристалічних ДК, включеного у напівхвильовий та чвертьхвильовий РПХ; необхідних умов для експериментального спостереження сходинок Шапіро в мікрокріо-генній системі замкненого циклу; ста-тичних та динамічних ВАХ ЛЛ, що складається з симетричних бікристалічних ДК, включених у напівхвильовий або чвертьхвильовий РПХ; впливу зовнішнього еле-ктромагнітного сигналу на ВАХ ЛЛ симетричних бікристалічних ДК, включеного в напівхвильовий та чвертьхвильовий РПХ; оптимальних умов отримання максимальних за амплітудою сходинок Шапіро; критерію технологічного розкиду критичних параметрів ДК для їх синхронної роботи у ЛЛ інтегрованому в РПХ; по визначенню величини нахилу сходинок Шапіро від розкиду критичних параметрів.

Апробація результатів дисертації. Результати дослідження були оприлюднені на ІІІ InSymposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-millimeter Waves”, (Khar1998 Ukraine); XI Trilateral German /Russian/Ukrainian Seminar on HTS (Gottingen, 1998, Germany); XXII International Conference on Low Temperature Physics (Helsinki, 1999, Finland); 4th European Conference on Applied Superconductivity (Barselona, 1999, Spain); XII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity (Kiev, 1999, Ukraine); VI Symposium on High-Te-mperature Superconductors in High-Frecuncy Fields (Capri, Naples, 2000, ITALY); II российско-украинский семинар “Нанофизика и наноэлектроника”, (Киев, 2000, Украина); XІV Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature

Superconductivity, Russia); 8th Internatinal Superconductive Electronics Conference, (Osaka, 2001, Japan); 5th European Conference on Applied Superconductivity (Lyngby/Copenhagen, 2001, Denmark); XXIIІ International Conference on Low Temperature Physics (Hiroshima, 2002, Japan).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 33 роботи у вітчизняних та закордон-них виданнях: 10 статей, 22 матеріалів та тез конференцій, 1 авторське свідоцтво. Серед них статті в журналах “Journal of Superconductivity”, “PHYSICA B”, “IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONCTIVITY”, “J. Phys. IV France”, “Вісник Київського університету, серія “Радіофізика та електроніка” “Вісник Київського університету, серія “Фіз-мат науки”, “PHYSICA С”.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 157 посилань. Робота ілюстрована 73 рисунками і має загальний обсяг 169 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, вказано зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність результатів, відображено особистий внесок автора, апробацію результатів та вказано кількість публікацій за темою дисертації.

У першому розділі викладено основні властивості ПЕМХ, ДК та основні проблеми створення приладів НВЧ електроніки на ВТНП ДК. Розглянуто сучасний стан побудови ДК, основні методи перетворення ПЕМХ, електродинамічні системи збудження та шляхи їх оптимізації.

У другому розділі наведено опис розвинутих експериментальних методик і установок, що були створені на їх основі та спеціальних вимірювальних секцій для дослідження НВЧ властивостей зразків, що доладжувалися.

Для створення експериментальних зразків використовувалися надпровідні (YBa2Cu3O7-y) або металеві (Сu, Ag, Au, Al) тонкі плівки з розміром ~1010 мм2, що осаджені на діелектричні підкладенки (YSZ) методами лазерного осадження. З цих зразків виготовляли РПХ, розміри яких визначались резонансною частотою f0 його основної моди. Після цього відбувалося виго-товлення та вимірювання аналогічним чином РПХ, що мав по центру резонатору бікристаліч-ну границю (БГ). Товщина плівки ВТНП складала 0,2?0,35 мкм. Кут разорієнтації між кристалографічними вісями БГ знаходився в межах 18 ? градусів, що дозволило реалізувати ДК з величиною критичного струму І0?10 мА.

Для охолодження зразків використовувалася автономна мікрокріогенна система замкненого циклу (МКС), що працює за двохступеневою схемою Джифорда – Мак-Магона. В якості кріоагента використовувався гелій. Зразки розміщувалися у вимірювальних секціях, що роз-ташовувалася всередині вакуумної камери МКС. В процесі досліджень було використано декілька вимірювальних секцій. Кожна з них була пристосована для вирішення конкретної задачі. Ця кріогенна система мала системи спеціальних екранів для зменшення зовнішнього

теплопритоку, що дозволило проводити вимірювання НВЧ властивостей надпровідних і металевих РПХ, ЛЛ ДК у широкому діапазоні температур від 16 К до 300 К за умов високого вакууму (10-6 мм рт. ст.) з точністю вимірювань температури зразків сягала ~10-3 К та термостабілізацією не гірше ±10-3 К.

Методика вимірювань за допомогою об’ємного резонатора абсолютних значень поверхневого опору RS та відносних величин поверхневого реактансу ХS плівок дозволяла по результатам цих вимірів порівнювати отриманні данні з результатами вимірів добротності резонаторів отриманих за методикою РПХ та оптимізувати останню. Для збудження коливань у об’ємному резонаторі була використана мода Н011. Основна перевага якої полягає в аксіальній симетрії струмів, тобто у відсутності складових струму, що перетинають границю циліндричної поверхні з плоскими основами. Для досягнення максимальної власної добротності Q0 коливань моди Н011 у пустотілому об’ємному резонаторі циліндричної форми виконувалося співвідношення між висотою циліндра h та його діаметром O: h/Ш ?ля збільшення чутливості вимірів поверхневого імпедансу ZS було застосовано метод синхронного детектування. Процес вимірювання зводився до досягнення співпадання частоти генератора НВЧ з резонансною частотою f0 об’ємному резонаторі в режимі “-3 dB” та до знаходження значень напівширин резонансів f1 та f2 в режимі “0 dB” при незмінних значеннях НВЧ потужності. Для підвищення точності вимірів було використано системи автоматичного регулювання потужністю та підстроювання частоти НВЧ сигналу. Недоліком цієї методики можна вважати можливість вимірювання значень поверхневого опору з похибкою ? лише в межах 0,1RS=RS=100RS.

Спосіб збудження ПЕМХ у резонансних структурах, що розміщені у хвилевідних лініях передачі визначає методики дослідження НВЧ властивостей РПХ. Для вирішення поставленої задачі обмежилися використанням лише основних методик вимірювань: по проход-женню НВЧ сигналу крізь РПХ, відбиттю сигналу від нього та розподілу полів в ньому. За величиною власної добротності Q0 РПХ визначеною по вище зазначеним методикам можливо знайти величину поверхневого опору RS його плівки Звідси стає очевидним можливість створення методики визначення поверхневого опору RS плівок РПХ. Застосування такої методики стає важливим при створенні технологічного циклу виготовлення пристроїв на основі РПХ, особливо в міліметровому та субміліметровому діапазоні довжин хвиль. Але на відміну від методики вимірювання RS за допомогою об’ємного резонатора треба враховувати, що Q0 РПХ залежить також від діелектричної проникливості ?, втрат tgд ?а об’єму підкладки на яку напорошена плівка, а також від умов збудження резонатора та відстаней до стінок хвилеводу. Ці параметри для досліджуваного зразка є константами та входять в геометричний фактор G, які легко визначити з вимірювань його мідного аналога. Причому, в ході розробки технологічного процесу створення пристроїв на основі РПХ виготовлення цих аналогів є цілком закономірним. На відміну від методики вимірювання RS за допомогою об’ємного ре-зонатора, запропонована методика може бути застосована на кількох етапах технологічного циклу створення пристроїв на основі РПХ, на-приклад, після формування на його поверхні

необхідної топології. Недоліком цього методу є складність розрахунку фактору G, так як на відміну від закритого резонатора тепер треба враховувати також вплив оточуючого серед-овища, тому що поле РПХ вихо-дить за його геометричні межі.

Для вимірювань ВАХ було застосовано чотирьохзондовий метод. Для його реалізації та врахування особливостей роботи ДК було розроблено пристрій. З його допомогою реєструвалися сходинки струму на ВАХ ДК, включених в РПХ Величина амплітуди сходинок струму вимірюва-лася на рівні відхилення ±  мкВ від сходинки струму. Вимірювання абсолютних значень НВЧ потужності опромінення ЛЛ ДК інтегрованого в РПХ здійснювалося термісторною хвилевідною головкою термоелектроним методом. Величина потужності НВЧ сигналу із зовнішнього генератора, що опромінював ці ДК регулювалася поляризаційним атенюатором

У третьому розділі викладено наближену фізичну теорію розповсюдження ПЕМХ в плівках ВТНП. На основі цього розроблено новий клас НВЧ резонаторів - РПХ. Досліджено ос-новні НВЧ властивості напівхвилевого та чвертьхвилевого РПХ. Для наближеного визначення власних частот цих резонаторів за допомогою однохвилевого наближення розглянуто просту пло-скопаралельну лінію передачі, де розповсюджується ПЕМХ. Резонансні довжини хвилі цих РПХ можуть помітно відрізнятися від значень резонансної довжини хвилі в ідеальних резонаторах завдяки ефектам виходу поля за межі резонатору через його торці. Власна добротність РПХ визначається якістю його плівки та положенням резонатора у хвилеводі. Показано можливість використання РПХ для вимірювань поверхневого опору плівок відносно вимірів цього опору за допомогою об’ємного резонатору. Показано, що плівки YBCO на підкладинці YSZ мають високу якість. Величини значень їх поверхневого опору RS та глибини проникнення знаходиться на рівні найкращих, відомих з літератури, значень поверхневого опору (див. Рис. ). Згідно Рис. .а залишковий опір має квадратичну залежність від частоти Тонкі плівки ВТНП (YBCO), що використовуються у мікрохвильових приладах, зазвичай вкриті тонким шаром металу для захисту YBCO від

Рис.  Температурні залежності для двох YBCO плівок (№1 та №2) на підкладинці YSZ (67 та 134 ГГц): а) поверхневого опору RS в порівнянні з еталонною Сu, б) глибини проникнення НВЧ поля.

шкідливого впливу навколишнього середовища та отримання безгістерезисних ВАХ ДК. Тому було досліджено вплив товщини покриття шаром металу на RS ВТНП плівок та знайдено оптимальну товщину покриття для збереження високих властивостей плівки ВТНП (Au~200 нм).

Досліджено НВЧ властивості напівхвилевого та чвертьхвилевого РПХ в залежності від його положення в стандартному прямокутному хвилеводі. Загальний вигляд РПХ у хвилеводі по-казано на Рис. . З нього видно, що цей резонатор, в загальному випадку, складається з металевої або ВТНП плівки та двох діелектричних пластин. Однією з пластин може бути підкладка плівки ВТНП. Довжина резонатора (уздовж осі у) - l, ширина (вздовж z) - w, товщи-ни діелектриків d1 і d2, діелектричні проникності ?1 і ?2 відповідно. Припускалось, що товщина плівки dм<<d1, d2, l, w. Розміри хвилеводу aЧb, a Л1, Л2- відстані від резонатора до широких стінок хвилеводу. Спектр коливань РПХ в залежності w представлено на Рис. . З нього видно, що існують два типи коливань, кожен з яких залежить від величини l (зафарбовані крапки) або w (не зафарбовані крапки). У першому випадку електричні струми у РПХ течуть вздовж l, а в другому – вздовж w. Мода І при малих w стає нижньою модою РПХ, тому в подальшому, ми будимо називати її основною модою РПХ. Як видно з Рис. ця мода при w>л практично не змінює свою резонансну частоту. Електричні струми коливань І протікають вздовж вісі y, і є квазіоднорідними по z, як показано на Рис. .а. Якщо БГ паралельна вісі z та знаходиться у центрі РПХ, то через неї, а також і через ДК, які вона утворює буде протікати максимальний НВЧ струм, направлений вздовж вісі y. На Рис. .б показана квазіоднорідність НВЧ струмів, що течуть у плівці вздовж резонуючого розміру l основної моди коливань по осі розповсюдження хвилі в хвилеводі (?4Це важливо, з точки зору синхронної роботи ДК. Зрозуміло, що при розміщенні великої кількості ДК, розташованих вздовж вісі z, розмір w повинен збільшитися. При цьому кількість власних типів коливань, що потрапляють у робочу смугу частот, теж повинно збільшитися (див. Рис. ). Добротність РПХ визначається якістю плівки та діелектричної підкладинки, а також положенням їх в хвилеводі. Наявність підкладинок у структурі РПХ призводять до зменшення його резонансної частоти f0 (=15ч20?о дозволяє регулювати напругу на сходинках Шапіро ВАХ ДК згідно джозефсонівському співвідношенню та можливості збільшення власної добротності

Рис.  РПХ у хвилеводі для випадку ?=900 (плівка перпендикулярна до широких стінок хвилеводу): а) Напівхвилевий РПХ; б) Чвертьхвилевий РПХ.

Рис.  Резонансні частоти мідного напівхвилевого РПХ в центрі стандартного 8-мм хвилеводу, l=3 мм, ??50, е1=10, d1=0,5 ?м..

резонатора Q0 (=20ч200?о дозволить підвищити чутливість ДК до зовнішнього НВЧ опромінення. Коефіцієнт перетворення об’ємної електромагнітної хвилі в ПЕМХ обумовлюється умовами збудження, який визначаються зв'язком РПХ з основною модою коливання прямокутного хвилеводу Н10. Цей зв'язок визначаються місцем розташування РПХ у прямокутному хвилеводі і кутом його нахилу ? відносно широкої стінки хвилеводу (Рис. 5, 6). Якщо РПХ розташовано паралельно до широкої стінки хвилеводу – зв'язок дорівнює 0, а при перпендикулярності – він максимальний. За умов оптимального узгодження резонатора kc?min та досягнення максимального значення власної добротності Q0?max виконуються умови оптимального збудження ПЕМХ у РПХ Усе це свідчить про перспективність використання моди І РПХ для опромінення ланцюжка ДК. Одержані результати підтверджують перспективність досліджуваної методики збудження ПЕМХ у РПХ для розробки практичних конструкцій НВЧ пристроїв надпровідникової НВЧ електроніки та перспективність досліджуваних методик для встановлення зворотнього зв’язку з технологією синтезу ВТНП плівок.

Рис.  Картина електричних силових ліній З та струмів О НВЧ коливань основної моди напівхвилевого РПХ (а) та розподіл її електричних амплітуд силових ліній Е(w)/Е(0) НВЧ коливань І вздовж нерезонансного розміру w (б) (див. Рис. 2 -вісь z).

Рис.  Залежності резонансної частоти f0, власної добротності Q0 та коефіцієнту стоячої хвилі по напрузі ku для напівхвилевого РПХ розташованого по центру хвилеводу, від кута нахилу ? відносно широкої стінки хвилеводу: l=2,3 мм, w=10 мм, d1=0,5 мм, ?=26  | Рис.  Залежності нормованої резонансної частоти f/f0, власної добротності Q0 та коефіцієнту стоячої хвилі по напрузі ku для чвертьхвилевого РПХ від його місця розташування х вздовж широкої стінки хвилеводу а: w=10 мм

У четвертому розділі викладено наближену фізичну теорію розпов-сюдження ПЕМХ в плівках ВТНП з неоднорідностями. Ви-значено необхідні умови побудови ЛЛ для включення бікристалічних ДК у РПХ.

Необхідним наслідком включення ЛЛ ДК у РПХ є поява в останньому неоднорідностей. Наприклад, за рахунок формування щілин в плівці на діелектричній підкладинці з БГ. Проведений попередній аналіз існуючих топологій ЛЛ ДК показав, що вони, в цілому, повинні базуватись на двох основних геометріях: щілини повздовж-ні до напрямку НВЧ струмів у РПХ; щілини перпендикулярні до напрямку НВЧ струмів у РПХ (Рис. ). На основі дисперсійного співвідношення для дзеркального хвилевіду з щілинами було визначено сталу розповсюдження

Рис.  РПХ - темні смужки - метал або ВТНП із розрізами: а) паралельними до напрямку НВЧ струмів у РПХ; б) перпендикулярними до напрямку НВЧ струмів у РПХ. Ширина розрізів S, період повторення lр, нормалізова-на ширина розрізу s=S/lр.

та зміну його ефективної діелектричної проникливості ?еff. За допомогою отриманих апроксимованих аналітичних виразів показано, що відносна зміна ефективної діелектричної проникливості ?еff для повздовжніх розрізів до напрямку НВЧ струмів у резонаторі ?¦ буде складати < а для випадку розповсюдження хвилі в РПХ перпендикулярно до розрізів вже при 10 розрізах буде сягати < Запропоновано наближений вираз для визначення відносної резонансної частоти РПХ F0 у залежності від кількості розрізів N та їх ширини S.

Експериментальні дослідження напівхвилевого та чвертьхвилевого РПХ з неоднорідностями показали можливість його застосування в якості збуджуючої електродинамічної системи для ЛЛ ДК включеного в цей резонатор. На прикладі поведінки трьох основних показників НВЧ властивостей основної моди коливання РПХ (відносні резонансна частота F0, власна добротність q0 та коефіцієнт стоячої хвилі по напрузі ku0) 8-мм діапазону довжин хвиль від неоднорідностей (кількість розрізів N та їх ширина S у плівці РПХ, кількість зовнішніх підвідних дротів для подачі постійної зміщення на ЛЛ ДК) показано подібність цих властивостей для обох типів резонаторів (Рис. ). Для 3-см діапазону довжин хвиль отримано аналогічні залежності. Резонансна частота та коефіцієнт стоячої хвилі по напрузі ku основної моди коливання РПХ практично не змінюються для випадку розрізів повздовжніх до напрямку НВЧ струмів у РПХ (< і навпаки сильно зале-жать для випадку розрізів перпендикулярних до напрямку НВЧ струмів у РПХ (> . Власна добротність Q0 РПХ з неоднорідностями виходить на полицю і вже не зменшується більш ніж 20для випадку розрізів повздовжніх до напрямку НВЧ струмів в резонаторі, але сильно залежать (> для випадку розрізів перпендикулярних до напрямку НВЧ струмів у РПХ. За рахунок збільшених втрат на стінках хвилеводу у чвертьхвилевому РПХ по відношенню до

а) |

б)

Рис.  Пронормовані залежності зміни резонансної частоти F0, власної добротності q0=Q0/Q0(N,S=0) та коефіцієнту стоячої хвилі по напрузі ku0 для основної моди коливання РПХ від кількості N (а) розрізів та їх ширини S (б): незафарбовані крапки - розрізи паралельні НВЧ струмам у РПХ (див. Рис. .а); зафарбовані крапки - розрізи перпендикулярні НВЧ струмам у РПХ (див. Рис. .б).

напівхвилевого, втрати у першому резонаторі від неоднорідностей зменшуються на 10?20що практично зрівнює при наявності неоднорідностей НВЧ властивості обох типів РПХ

В результаті обробки експериментальних даних відносної власної добротності q0, отрима-них у широкій смузі частот запропоновано вирази, що можуть бути використані для якісної оцінки її зміни від ступені неоднорідностей. Квазіоднорідність струмів, які течуть у плівці вздовж резонуючого розміру l та симетричний розподіл полів основної моди коливань по осі розповсюд-ження хвилі в хвилеводі зберігається у РПХ з неоднорідностями. Малі по-гонні втрати ПЕМХ при розповсюдженні у РПХ та незначний коефіцієнт перетворення ПЕМХ в об’єм-ну хвилю в хвилеводі робить цю резонансну систему привабливою для інтегрування великої кількості ДК у РПХ, коли кожний окремий контакт буде знаходитись в однакових умовах збудження.

У пятому розділі досліджені електрофізичні характеристики як окремих ДК, так і ЛЛ ДК, що включені в РПХ за допомогою запропонованих в роботі топологій. Показано, що всі ці, зокрема поведінка сходинок Шапіро на ВАХ, задовільно описуються резистивно-шунтованою моделлю ДК. Незважаючи на технологічний розкид параметрів окремих ДК завдяки використанню РПХ вдалося домогтися появи на ВАХ ЛЛ ДК сумарних сходинок Шапіро. На Рис. .а приведена типова ВАХ ЛЛ з 6 ДК, включених у РПХ, під дією різних потужностей НВЧ при співпаданні резонансної частоти РПХ f0(33,8 ГГц) з частотою сигналу f=33,8 ГГц. Добре видно наявність двох перших сходинок Шапіро, що відповідають синхронній роботі усіх ДК. Саме в результаті синхронізації сходинки, що відповідає кожному окремому ДК (U~70 мкВ) не спостерігаються на отриманих ВАХ. Вже при потужностя НВЧ опромінення Р~70 мкВт нульова сходинка практично подавляється, а амплітуда першої сходинки майже досягає величини незбудженої першої сходинки струму (Рис. .б) .

Існуюча технологія виготовлення пристроїв з масивами ДК на основі ВТНП має розкид критичних параметрів, що досягають 100Використання РПХ в якості електродина-мічної системи збудження ЛЛ ДК робить можливим використання ДК з розкидом цих параметрів до

а) |

б)

Рис.  ЛЛ з 6 ДК, що включений у РПХ під дією різних потужностей НВЧ при співпаданні резонансної частоти РПХ f0 з частотою сигналу f=33,8 ГГц: а) Типова ВАХ; б) Амплітуди трьох перших сходинок струму

40Коефіцієнт перетворення частота – напруга, згідно постійній Джозефсона ?10-6 для динамічної ВАХ та ?6*10-7 – для статичної ВАХ. Максимуми та мінімуми парних та не парних сходинок Шапіро чергуються лише у випадку співпадання джозефсонівськоїої та резонансної частоти. Нахил на робочих сходинках, внаслідок малого паразитного опору вимірю-вальної схеми, значно менший похибки вимірювань (< -6). У порівняні з вимірами нахилу нульовою сходинки струму (критичний струм ДК) можна стверджу-вати про відсутність нахилу в області першої сходинки струму окремого ДК, включеного в РПХ. Але кут нахилу на сходинках Шапіро зростає при збільшенні ступеня інтеграції ДК в РПХ (Рис. ). При цьому досягаються необхідні значення напруги для побудови стандартів напруги. Так на ланцюжку з 450 ДК отримано сітку еталоних напруг: 0 мВ, 10 мВ, 20 мВ, 30 мВ (Рис. ). Можливість перебудови резонансної частоти РПХ (?30значно перекриває розкид джозефсонівської частоти окремих ДК. Тому властивості РПХ є визначальними для отримання оптимальних умов збудження ЛЛ ДК.

Рис.  ВАХ ЛЛ з 450 ДК включеного в РПХ без та під дією зовнішнього НВЧ опромінення.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі експериментально досліджені фізичні властивості лінійних лан-цюжків (ЛЛ) симетричних джозефсонівських контактів (ДК), що утворені бікристалічною границею (БГ) в плівці високотемпературного надпровідника (ВТНП). Для підвищення ефек-тивної взаємодії ЛЛ з НВЧ полем він був інтегрований в резонатор поверхневої хвилі (РПХ).

На базі мікрокріогенної системи замкненого циклу були розроблені експериментальні методики та створені експериментальні установки для вимірювання: поверхневого імпедансу у 2 - та 4 - мм діапазонах довжин хвиль; власних частот, добротностей, коефіцієнту зв’язку з лінією передачі, розподілу електричного поля РПХ; ВАХ ЛЛ ДК, як автономних, так і під дією електромагнітного опромінення у 3 - см та 8 - мм діапазонах довжин хвиль. Розроблені та створені спеціальні пристрої стабілізації та контролю вакууму, температури, струму зміщення та напруги на ДК, частоти та потужності зовнішнього НВЧ опромінення; спеціальні екрани для зменшення впливу теплопритоку та магнітних полів на ДК.

Розроблено і досліджено новий клас НВЧ резонаторів на поверхневій електромагнітній хвилі (РПХ). Показана висока однорідність струмів основної моди коливань РПХ по осі роз-повсюдження хвилі в хвилеводі, які течуть у плівці вздовж резонансного розміру та можли-вість оперативної зміни резонансної довжини хвилі цих резонаторів в процесі експлуатації. Експериментально знайдені оптимальні умови збудження основною модою Н10 прямокутного

хвилеводу коливань у напівхвильовому та чвертьхвильовому РПХ з металевою або надпро-відною поверхнею для створення практичних конструкцій надпровідної НВЧ електроніки.

Розглянуто РПХ з неоднорідностями, що виникають при включені в них ЛЛ ДК. Показано, що повздовжні розрізи до напрямку НВЧ струмів у РПХ слабо впливають на його НВЧ властивості і навпаки, цей вплив дуже сильний для випадку нанесення розрізів перпендикулярно до напрямку НВЧ струмів в РПХ. Висока квазіоднорідність струмів, які течуть у плівці вздовж резонуючого розміру та їх симетричний розподіл для основної моди коливань по осі розповсюдження хвилі в хвилеводі зберігається у РПХ для випадку нанесення розрізів повздовжніх до напрямку НВЧ струмів у цьому резонаторі. Запропоновано наближені вирази для визначення відносної резонансної частоти та власної добротності для напівхвилевого та чвертьхвилевого резонаторів в залежності від ступеня інтеграції елементів в плівці РПХ. Показана можливість застосування методу РПХ для дослідження та атестації надпровідних плівок.

Запропоновано топологію поєднання окремих симетричних ВТНП бікристалічних ДК в ЛЛ. Всі ДК включені паралельно НВЧ струму та послідовно постійному струму зміщення. Експериментально досліджені властивості окремих та ЛЛ симетричних бікристалічних високотемпературних ДК з різним ступенем інтеграції в напівхвильові та чвертьхвильові РПХ Показано, що визначальним фактором для синхронної роботи всіх ДК в ЛЛ інтегрованому в РПХ є технологічний розкид критичних параметрів контактів. Для досліджуваних бікристалічних ДК цей розкид не повинен перевищувати ?40Експериментально визначені умови отримання максимальних за амплітудою сходинок Шапіро на ВАХ окремих та об’єднаних в ЛЛ симетричних бікристалічних ВТНП ДК з різним ступенем інтеграції в напівхвилеві та чвертьхвилеві РПХ. На ЛЛ з 450 ДК отримано сітку еталонних напруг: 10 мВ, 20 мВ, 30 мВ. Виявлено, що при збільшенні ступеня інтеграції ДК в РПХ зростає кут нахилу на сходинках Шапіро. Отримані результати досліджень ланцюжків бікристалічних ВТНП ДК інтегрованих у РПХ показали, що вони можуть бути використані для побудови нового покоління метрологічних пристроїв які працюють при температурах рідкого азоту.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Мелков Г.А., Єгоров Ю.В., Иванюта О.М., Малишев В.Ю., ''Резонатори поверхневої хвилі'', Вісник Київського Університету. – 1998. - №3. - C.334- 338.

Мелков Г.А., Єгоров Ю.В., Iванюта О.М., Малишев В.Ю., ''Чвертьхвильові резонатори поверхневої хвилі'' // Вісн. Київ. Ун-ту: Серія “Фіз.-мат. науки” – 1999. - №2. – С.395-399.

MelkovEgorovIvanyuta A.N., MalyshevZengWuJuangHTS Surface Wave Resonators // Journal of Superconductivity. - 2000 - Vol.13, №1 - p.95-100.

MelkovIvanyutaLorenzPanTarasovPopovVysotskiiObservation of Proximity Effect in YBCO/Au Bilayer Films by Microwave Surface Resistance Measurements // PHYSICA B, - 2000. - 284-288. - P.915-916.

Кишенко Я.І., Прокопeнко О.В, Іванюта О.М., Ракша В.М., Вплив елементів топології на добротність резонатора поверхневої хвилі. // Вісник Київського університету, серія ”Фіз-мат науки” – 2001. -№1. - C.338-345.

MelkovIvanyutaKlushinGoldobinEghorovNumssenSiegel..Frequency Locking of Josephson Junctions in Surface Wave Resonator.// IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONCTIVITY. – 2001 - Vol.11, №1 - P.944-947.

MelkovIvanyutaPanFlisKomashkoPashitskii Е.А., Zandbergen, Svetchnikov, TretiachenkoC.G., Epitacsial Y-Ba-Cu-O FILMS: Crucial role of growth-induced linear defects in microwave properties // J. Phys. IV France. - 2001 – Vol.11 - P.47–51.

Мелков Г.А., Іванюта О.М., Прокопенко О.В., Ракша В.М., Резонатор поверхневої хвилі з щілинами в міліметровому діапазоні довжин хвиль // Вісн. Київ. ун-ту, Серія: радіофізика та електроніка, - 2001 - №3. – C.62-67.

MelkovIvanyutaLorenzPanTarasovVysotskiiTaborovTretiatchenko Band-pass Filter for 1.8 GHz Frequensy Range Using Double-Sided YBCO/Au Films on CeO2-Buffered Sapphire // Journal of Superconductivity, - 2001 - Vol.14, №1 - P.115-125.

KlushinIvanyutaMelkovNumssen, SigelIrradiation of Multi-Juncition Josephson Arrays Incorporated in SWR.// PHYSICA С. - 2002 - 372-376. - P.305-308.

Патент на винахід №24207А, Україна, Спосіб отримання плівок металооксидних високотемпературних надпровідників / Іванюта О.М., Мелков Г.А., Соловйов Д.О., Шевчук П.П., заявка № 97010303, пріорітет 24.01.97, Опубл. 07.07.98. – 3 с.

.MelkovIvanyutaEgorovMalyshevKlushin.Surface Wave High-Tem-perature Superconducting Resonators. // Inst. Phys. Conf. Ser. № 167, - 2000 - Р.359-362.

MelkovIvanyutaLorenzPanTarasovVysotskiiMicrowave Surface Resi-stance Measurements in YBCO/Au Bilayer Films and Observation of Proximity Effect.// Inst. Phys. Conf. Ser. № 167 - 2000 - Р.767-770.

MelkovEgorovIvanjutaMalyshev“Surface wave HTS resonators” // ІІІ International Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-millimeter Waves, Kharkov, Ukraine – 1998. - Vol.2. – P.625-627.

EgorovIvanyutaMalyshevMelkov“Surface wave HTS Resonators”, XI trilateral German/Russian/Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Gцttingen, Germany. – 1998. – Р.63.

MelkovIvanyuta, LorenzPanTarasovObservation of Proximity Effect in YBCO/Au Bilayer Films by Microwave Surface Resistance Measurements // XXII International Conference on Low Temperature Physics, Espoo and Helsinki, Finland - 1999 - p.201

MelkovEgorov IvanyutaMalyshevKlushin A.M., Surface Wave High-Temperature Superconducting Resonators. 4th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS’99, Barselona, Spain. - 1999 – Р.164.

PanTarasovLorenzIvaniutaMelkovMicrowave Surface Resistance Measurements in YBCO/Au Bilayer Films and Observation of Proximity Effect. // 4th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS’99, Barselona, Spain, - 1999. - Р.150.

KlushinSiegelMelkovEgorovIvanyutaMalyshevMicrowave Properties of HTS Surface Wave Resonator with Josephson Junctions. // XII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Kiev, Ukraine. – 1999. – P.35.

VysotskiiTarasov.PanLorenzIvanyutaMelkov.Microwave Surface Resistance of HTS YBa2Cu3O7- Films Covered by Thin Gold Layer and Proximity Effect Observation. // XII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Kiev, Ukraine. - 1999. – P.100.

PoustilnikZikovIvanyutaM., LevchenkoBeizymSurface resistance of a YBa2Cu3O7-д films on sapphire substrates and their resistance on normal states. // XII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Kiev, Ukraine. - 1999. – P.103.

MelkovIvanyutaLorenzPanTarasovVysotskiiTaborovKorotash I.V.. Devoloment of Bandpass Filters for 1,8 GHz FreQue cy Range Using Double-Sites YBCO/Au Films on CeO2-Buffered sapphire. // VI Symposium on High-Te-mperature Superconductors in High-Frecuncy Fields, Capri, Naples, ITALY - 2000 - P.65.

MelkovIvanyutaFlisMatsuiPanLorenzPeshkoSvetchnikovKarasevka O.P., High-Frecuncy Properties of Pulse-Laser Deposited YBCO Films and effect of Growth-induced Linear Defect arreays Density. // VI Symposium on High-Te-mperature Superconductors in High-Frecuncy Fields, Capri, Naples, ITALY - 2000 - P.64..

Мелков Г.А., Иванюта А.Н., Клушин А. М., Зигель М., Кишенко Я.И., Малышев В.Ю, Ракша В.Н., "СВЧ устройства на основе джозефсоновских гетероструктур субмикронного размера, включенных в резонатор поверхностной волны", К.: II российско-украинский семинар “Нанофизика и наноэлектроника” - 2000. – С.41-42.

MelkovIvanjutaProkopenkoRakshaKlushin Embedding of Josephson junctions in the surface wave resonator in the K-band. // ІV International Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-millimeter Waves, Kharkov, Ukraine–2001. - Vol.2. – P.363-364.

MelkovEgorovIvanyutaTunable filter based on HTS-YIG films. // XIV Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Moskow, Rusia. – 2001. – P.16-17.

FlisLorenzPeshkoPashitskii Е.А., Karasevka O.P., IvanyutaMelkov.Microwave Surface Resistance of HTS YBa2Cu3O7- Films Covered by Thin Gold Layer and Proximity Effect Observation. // XIV Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Moskow, Rusia. – 2001. – P.6-7

Flis.PanLorenzPeshkoPashitskii Е.А., KarasevkaZandbergenKomashkoSvetchnikovIvanyutaMelkov.Large-area epitacyba2cu3o7-? films: critical role of growth - inducted liniar defects in microwave properties. // XIV Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Moskow, Rusia. – 2001. – P.19.

MelkovIvanyutaPanFlisKomashkoKalenyukPashitskii Е.А., Zandbergen, SvetchnikovL., Large - Area Epitacsial Y-Ba-Cu-O FILMS: Impact of Growth - Inducted Liniar Defects upon Microwave Properties // 8th Internatinal Superconductive Electronics Conference, Osaka, Japan. - 2001 - P.131 – 132.

KlushinIvanyutaMelkovNumssen, SigelIrradiation of Multi-Juncition Josephson Arrays Incorporated in SWR. // 5th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS’2001) Copenhagen (Denmark) - 2001 - p.150-151.

G.A.MelkovA.N. IvanyutaKishenkoMalyshevTunable bandpass filter based on surface wave resonator .// 5th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS’2001) Copenhagen (Denmark) - 2001 - p.255

MelkovIvanyutaPanPanFlisKomashkoPashitskii Е.А., Zandbergen, Svetchnikov V.LEpitacsial Y-Ba-Cu-O Films: Critical Role Of Growth - Inducted Liniar Defects In Microwave Response // 5th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS’2001) Copenhagen (Denmark) - 2001 - p.295.

Melkov G.A., PanFlisIvanyutaKomashkoSvetchnikov TretiatchenkoPashitskii Е.А., Zandbergen H.W., Defect-induced-Thermal instability in YBCO films thin Microwave field // XXIII International Conference on Low Temperature Physics, Hiroshima, Japan - 2002 - p.309.

АНОТАЦІЯ

Іванюта О.М. Лінійний ланцюжок джозефсонівських контактів у резонаторі поверхневої хвилі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2003.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню властивостей лінійного ланцюжка (ЛЛ) симетричних бікристалічних джозефсонівських контактів (ДК) на основі високотемпературних надпровідників (ВТНП) у резонаторі поверхневої хвилі (РПХ).

В