CN102694117A - 一种基于超导纳米线的高频振荡器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于超导纳米线的高频振荡器及其制备方法，该振荡器包括一共面波导，以及位于所述共面波导中心导体带和接地导体之间的超导纳米线，该振荡器的实现原理是基于超薄超导材料的纳米线结构的自热弛豫效应特性。本发明制备的振荡器工艺结构简单，和超导约瑟夫逊振荡器相比，不需要使用多层超导薄膜，不需要制备结构复杂且制备难度较高的超导约瑟夫逊结。同时，其控制简单，不需要外加磁场，仅需控制器件的偏置电压即可实现高频振荡。该振荡器原理适用于所有类型超导材料，包括各种高温超导材料和低温超导材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种振荡器及其制备方法，特别是涉及一种基于超导纳米线的高频振荡器及其制备方法。
背景技术
振荡器是一种非常重要的电子学元器件。广泛的应用于电子、医疗和科学研究等方面。高频振荡器是指振荡频率比较高的振荡器。利用超导材料的多种特殊物理特性，可实现高频振荡输出信号，这类振荡器被称为超导振荡器。目前已实现的超导振荡器主要包括超导约瑟夫逊效应振荡器和超导磁通流振荡器。超导约瑟夫逊效应振荡器是基于超导约瑟夫逊效应而实现的振荡器，具有振荡频率高（~500兆赫兹/微伏）的优点。但是约瑟夫逊结制备难度较大，振荡功率较低且稳定性也有待提高。超导磁通流振荡器是基于超导磁通在洛伦兹力作用下移动，在一定几何尺寸约束下形成的振荡效应。它必须在有特定的磁场下才能形成振荡。
为了提高振荡源的频率及稳定度，人们采用注入锁定法、外腔稳频法和锁相环等技术取得了较好的效果，代价是增加了附加电路。比如在外腔稳频中，常用介质腔和波导腔，而很少采用平面传输线谐振腔，原因是其Q值太低，起不到稳频作用。随着高温超导材料的出现和发展，平面传输线谐振腔的Q值得到很大提高，并且以其结构简单、尺寸小、重量轻的优点而重新受到重视。在平面电路中，共面波导传输线电路具有接地方便，无需打孔，只需制作单面膜等特点。而对于超导平面电路由于工艺的限制，制作双面膜十分困难，因而共面波导传输线受到青睬。
平面共面波导（CPW）在微波集成电路中有着重要的应用，尤其近几年随着毫米波与亚毫米波技术的发展，CPW受到了越来越多的重视。CPW是在介质基片的一个面上制备三条金属带构成，中间金属带为信号带，两边金属带同时接地。现在已经研究了多种共面波导。例如自由空间中的共面波导、半无限厚介质基片上的共面波导、有限厚度介质基片上的共面波导等，这几种共面波导在不同程度上还是理想化模型，即介质基片的横向尺寸无限大。在工程应用中共面波导的介质基片尺寸总是有限的，即它的厚度和宽度都是有限的。随着超导纳米线技术的进步，将超导纳米线应用于共面波导制作出性能优良的超导振荡器，目前还没有相关报道。
鉴于上述超导高频振荡器的缺点，本发明提出了一种基于超导纳米线的高频振荡器及其制备方法，用以解决上述问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于超导纳米线的高频振荡器及其制备方法，用于解决现有技术中制备工艺复杂、结构复杂、控制难度大、以及振荡频率低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于超导纳米线的高频振荡器结构，至少包括：
共面波导，包括介质基片、位于所述介质基片上且作为正电极的中心导体带、以及位于所述介质基片上且作为负电极的接地导体；
纳米线，连接所述共面波导的正、负电极。
可选地，所述纳米线的材料为超导材料，所述超导材料为NbN、Nb、NbTiN、YBa2Cu3O7+x、或MgB2。
可选地，所述纳米线的长度为500nm～106nm，宽度为5nm～600nm，进一步可选地，所述纳米线的超导临界电流为31μA。
可选地，所述介质基片为Si、MgO、蓝宝石、或LaAlO3。
可选地，所述高频振荡器的频率为f，则：
此外，本发明还提供一种基于超导纳米线的高频振荡器的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
1）提供一介质基片，于所述介质基片上沉积一层超导薄膜；
2）在所述超导薄膜上旋涂一层光刻胶，利用光刻工艺所述超导薄膜上形成共面波导结构图形；
3）通过电子束蒸发工艺沉积一层金属薄膜，并利用剥离工艺形成共面波导及电极结构；
4）利用纳米加工工艺在共面波导结构的两个电极之间构造纳米线。
可选地，所述介质基片的材质为Si、MgO、蓝宝石、或LaAlO3。
可选地，所述超导薄膜的材质为NbN、Nb、NbTiN、YBa2Cu3O7+x、或MgB2。
可选地，所述超导薄膜的厚度小于10nm。
可选地，所述纳米线的长度为500nm～106nm，宽度为5nm～600nm。
如上所述，本发明的一种基于超导纳米线的高频振荡器及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明的一种基于超导纳米线的高频振荡器及其制备方法，结构上不仅有利于与PCB电路的集成，而且制备工艺简单，和超导约瑟夫逊振荡器相比，不需要使用多层超导薄膜，不需要制备结构复杂且制备难度较高的超导约瑟夫逊结。同时，其控制简单，不需要外加磁场，仅需控制器件的偏置电压即可实现高频振荡。该振荡器原理适用于所有类型超导材料，包括各种高温超导材料和低温超导材料。
附图说明
图1显示为本发明的基于超导纳米线的高频振荡器结构示意图。
图2显示为本发明的基于超导纳米线的高频振荡器应用电路的示意图。
图3a～3b显示为本发明实施例一中所述高频振荡器应用电路中不同电压源Vin值的高频振荡器的时域图。
图4显示为本发明中实施例一中所述高频振荡器应用电路中器件直流偏置电压与振荡频率的关系示意图。
图5a～5e显示为本发明中实施例二中基于超导纳米线的高频振荡器各个步骤制备工艺示意图。
元件标号说明
1、11 介质基片
2 中心导体带
3 接地导体
4、15 纳米线
5 共面波导
6 振荡器
12 超导薄膜
13 光刻胶
14 金属薄膜
L1～L3 电感
R1～R5 电阻
C1～C2 电容
S1 恒压源电路
S2 偏置器电路
S3 振荡器等效电路
K 双掷开关
K1～K2 接触点
Vin 电压源
Vout 输出负载电压
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图2、图3a至图3b、图4、图5a至图5e。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
下面结合说明书附图进一步说明本发明提供的一种基于超导纳米线的高频振荡器及其制备方法，为了示出的方便附图并未按照比例绘制，特此述明。
实施例一
本发明提供一种基于超导纳米线的高频振荡器6结构，如图1所示，至少包括：
共面波导5包括介质基片1、位于所述介质基片1上且作为正电极的中心导体带2、以及位于所述介质基片1上且作为负电极的接地导体3；在本实施例中，所述介质基片1暂选为MgO，但并不限于此，在其它的实施例中，所述介质基片1亦可为Si、蓝宝石、或LaAlO3中的一种，特此述明。
纳米线4连接所述共面波导5的正、负电极；所述纳米线4的材料为超导材料，在本实施例中，所述超导材料暂选为NbN，但并不限于此，在其他的实施例中，所述超导材料亦可为Nb、NbTiN、YBa2Cu3O7+x、或MgB2中的一种，特此述明。所述纳米线4的长度为500nm～106nm，宽度为5nm～600nm，本实施例中所述纳米线4的宽度优选为100nm，长度优选为0.5mm；从本领域技术人员的知识可以得出，本实施例中所述纳米线4的超导临界电流为为31μA，该电流随着纳米线4长、宽以及材料的不同而不同，因此其超导临界电流大小并不限于本实施例中的值。
为了进一步阐述本发明的原理及功效，下面以所述高频振荡器6的一种应用电路为例来说明其工作原理，如图2所示，该应用电路包括恒压源电路S1、偏置器电路S2、振荡器等效电路S3、调节电感L2以及负载电阻R5，下面对每个电路模块进行具体描述。
恒压源电路S1包括输入电压源Vin、电阻R1以及电阻R2，为电路提供偏压源；其中电阻R1的一端与所述电压源Vin正端相连，另一端与R2相接，且R2与R1并联，R2另一端接地。本实施例中R1的阻值为10K欧姆，R1的阻值为50欧姆。
偏置器电路S2包括电容C1、C2、电感L1、以及电阻R3，为所述振荡器6提供偏压和振荡条件，本实施例中的偏置器S2采用一种偏置器芯片，型号为：Mini-Circuit ZX85-12G-S+，其中电容C2能够隔直流通交流，而电感L1能够阻交流通直流，电阻R3一端连接L1与C2的公共端，一端连接调节电感L2。
振荡器等效电路S3为本发明中所制备的超导高频振荡器的等效电路，包括一个电感L1连接一个双掷开关K，两个接触点分别为K1、K2，接触点K1所在的支路连接一电阻R4，接触点K2所在的支路为一导线。
调节电感L2一端连接偏置器电路S2中的电阻R3，另一端连接所述振荡器6等效电路S3中的电感L3，用来调节电路电感；当振荡器等效电路S3中的电感L3值过小时，需要一个调节电感L2与L3串联以增大电路电感值，反之如果电感L3的值有足够大，调节电感L2可以省去。
结合图1以及图2，当恒压源S1施加于电路中时，由于偏置器电路S2中的电容C1有通交流隔直流的作用，电路中的直流电只能通过R3和调节电感L2所在的支路，当该支路的偏置电流I1小于所述振荡器6超导临界电流31μA时，振荡器6等效为开关K直接连接K2，振荡器6处于超导态，无振荡效应；当偏置电流I1超过超导纳米线的超导临界电流31μA时，此时开关K连接至K1，超导纳米线4局部会在瞬间进入电阻态R1(电阻R1的值远远大于L3的阻抗)，并产生焦耳热。由于超导纳米线4有阻区的瞬态电阻远大于负载阻抗R5，此时进入超导纳米线4中的电流会迅速减小，偏置电流I1主要进入负载阻抗R5中。由于超薄超导材料的热弛豫时间很短，典型值在几十皮秒。超导纳米线4中产生的焦耳热会通过衬底1和超导纳米线4本身及周围环境快速地扩散，从而很快的恢复超导态。此时，流进超导纳米线4的电流在慢慢增加，其增加速度由超导纳米线4的电感及其外围串联电感决定，而负载阻抗R5中的电流则慢慢减小。因此，以上过程会在负载阻抗R5中产生一个脉冲电压。当流经超导纳米线4的电流再次达到其超导临界电流时，上述过程会重复发生，从而在负载阻抗R5中产生周期性的脉冲，从而形成热弛豫振荡。
图3a至图3b所示为本实施例中所述高频振荡器应用电路中的不同电压源Vin值的高频振荡器的时域图，器件超导临界电流为31μA，器件电感为370nH，其中，图3a中器件工作直流偏置电压为0.28mV，此时电压源Vin电压为330mV，振荡频率为20MHz；图3b中器件工作直流偏置电压为1.2mV，此时电压源Vin电压为440mV，振荡频率为100MHz。图4显示为本发明中实施例一中所述高频振荡器应用电路中器件直流偏置电压与振荡频率的关系示意图。
因此，所述高频振荡器的频率由以下公式计算得到：
综上所述，本发明的一种基于超导纳米线的高频振荡器，结构简单，和超导约瑟夫逊振荡器相比，不需要使用多层超导薄膜，不需要制备结构复杂且制备难度较高的超导约瑟夫逊结。同时，其控制简单，不需要外加磁场，仅需控制器件的偏置电压即可实现高频振荡。该振荡器原理适用于所有类型超导材料，包括各种高温超导材料和低温超导材料。
实施例二
如图5a至5e，本发明还提供一种基于超导纳米线的高频振荡器的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
步骤一：如图5a所示为本步骤的截面图，提供一介质基片11，在本实施例中，所述介质基片1暂选为MgO，但并不限于此，在其他的实施例中，所述介质基片1亦可为Si、蓝宝石、或LaAlO3中的一种，特此述明，所述介质基片11根据薄膜不同可以选择不同的基片材料，然后于所述介质基片11上沉积一层超导薄膜12，超导薄膜12的材料可以选择各种低温和高温超导材料，在本实施例中，所述超导材料暂选为NbN，但并不限于此，在其他的实施例中，所述超导材料亦可为Nb、NbTiN、YBa2Cu3O7+x、或MgB2中的一种，特此述明；制备所述超导薄膜12的方法可以选择磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积等。典型的超导薄膜12厚度小于10nm，薄膜越薄，热弛豫时间越短，所制备的振荡器的上限频率越高。但是超导薄膜12越薄，其临界温度就越低，这会要求器件工作在更低的工作温度。本实施例采用MgO衬底上磁控溅射方法生长的NbN超薄薄膜，厚度为5nm。
步骤二：在所述超导薄膜12上旋涂一层光刻胶13，利用光刻工艺所述超导薄膜12上形成共面波导结构图形，也即没被光刻胶13覆盖的区域就是共面波导结构图形，如图5b所示为本步骤中的工艺平面图。
步骤三：如图5c至图5d所示，通过电子束蒸发工艺步骤二基础上沉积一层金属薄膜14，将此时的样品放入特定的溶液（显影液）中，使所述光刻胶13溶解掉，光刻胶13及其上面的金属薄膜14就会被剥离掉，而沉积在所述超导薄膜12上的金属薄膜14保留下来最终形成共面波导及电极结构，如图5c为本步骤旋涂光刻胶后形成的沿波导中心导体带水平方向对称轴的工艺截面图，图5d为去除光刻胶及其上面的金属薄膜后的工艺平面图。
步骤四：如图5e所示，利用纳米加工工艺在共面波导结构的两个电极之间构造超导纳米线15，所述超导纳米线15的长度范围为500nm～106nm，宽度范围为5nm～600nm，超导纳米线15的长度可以有两种选择，一种是长度选择小于宽度或者和其宽度相当；另外一种是长度大于其宽度。第二种方案相当于在第一种方案的基础上串联了一个电感，而电感的大小和纳米线的长度成正比，本实施例中优选纳米线宽度为100nm，纳米线长度为0.5mm，至此完成了超导振荡器器件的制备，图5e为本步骤最终形成的工艺平面图。
综上所述，本发明提供的一种基于超导纳米线的高频振荡器及其制备方法，所制备的高频振荡器不仅有利于与PCB电路的集成，而且振荡器实现结构简单，和超导约瑟夫逊振荡器相比，不需要使用多层超导薄膜，不需要制备结构复杂且制备难度较高的超导约瑟夫逊结。同时，其控制简单，不需要外加磁场，仅需控制器件的偏置电压即可实现高频振荡。该振荡器原理适用于所有类型超导材料，包括各种高温超导材料和低温超导材料。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种基于超导纳米线的高频振荡器，其特征在于，至少包括：
共面波导，包括介质基片、位于所述介质基片上且作为正电极的中心导体带、以及位于所述介质基片上且作为负电极的接地导体；
纳米线，连接所述共面波导的正、负电极。
2.根据权利要求1所述的基于超导纳米线的高频振荡器，其特征在于：所述纳米线的材质为超导材料。
3.根据权利要求2所述的基于超导纳米线的高频振荡器，其特征在于：所述超导材料为NbN、Nb、NbTiN、YBa2Cu3O7+x、或MgB2。
4.根据权利要求1所述的基于超导纳米线的高频振荡器，其特征在于：所述纳米线的长度为500nm～106nm，宽度为5nm～600nm。
5.根据权利要求1所述的基于超导纳米线的高频振荡器，其特征在于：所述纳米线的超导临界电流为31μA。
6.根据权利要求1所述的基于超导纳米线的高频振荡器，其特征在于：所述介质基片的材质为Si、MgO、蓝宝石、或LaAlO3。
7.根据权利要求1所述的基于超导纳米线的高频振荡器，其特征在于：所述高频振荡器的频率为f，则：
其中V为振荡器的直流偏置电压，L为振荡器的电感，Ic为纳米线的超导临界电流。
8.一种基于超导纳米线的高频振荡器的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
1）提供一介质基片，于所述介质基片上沉积一层超导薄膜；
2）在所述超导薄膜上旋涂一层光刻胶，利用光刻工艺在所述超导薄膜上形成共面波导结构图形；
3）通过电子束蒸发工艺沉积一层金属薄膜，并利用剥离工艺形成共面波导及电极结构；
4）利用纳米加工工艺在共面波导结构的两个电极之间构造纳米线。
9.根据权利要求8所述的基于超导纳米线的高频振荡器的制备方法，其特征在于：所述介质基片的材质为Si、MgO、蓝宝石、或LaAlO3。
10.根据权利要求8所述的基于超导纳米线的高频振荡器的制备方法，其特征在于：所述超导薄膜的材质为NbN、Nb、NbTiN、YBa2Cu3O7+x、或MgB2。
11.根据权利要求8所述的基于超导纳米线的高频振荡器的制备方法，其特征在于：所述超导薄膜的厚度小于10nm。
12.根据权利要求8所述的基于超导纳米线的高频振荡器的制备方法，其特征在于：所述纳米线的长度为500nm～106nm，宽度为5nm～600nm。
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| US3778893A (en) * | 1970-03-02 | 1973-12-18 | Ibm | Method of fabricating a coherent superconducting oscillator |
| US20100219897A1 (en) * | 2009-02-27 | 2010-09-02 | Commissariat A L'energie Atomique | Oscillator based on series of four nanowires |
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2012
- 2012-05-25 CN CN201210167983.9A patent/CN102694117B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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| CN109813659B (zh) * | 2017-11-20 | 2020-11-27 | 清华大学 | 光学材料的热弛豫时间的测量方法和装置以及测量设备 |
Also Published As
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|---|---|
| CN102694117B (zh) | 2015-08-19 |
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