Detaillierte Beschreibung der Erfindung
(Gebiet der Erfindung)
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
supraleitende Übergangsstruktur. Speziell betrifft die
vorliegende Erfindung eine neue supraleitende
Übergangsstruktur unter Verwendung eines supraleitenden
Oxids.
(Verwandter Stand der Technik)
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Es gibt verschiedene Strukturen für die Realisierung
von supraleitenden Übergängen, welche durch den Josephson-
Übergang dargestellt werden, und die am meisten bevorzugte
Struktur ist der Tunnel-Übergang, der einen dünnen
Nichtsupraleiter (welcher keine supraleitende Eigenschaften
aufweist), der durch ein Paar von Supraleitern sandwichartig
überschichtet wird, umfaßt. Der Josephson-Effekt weist
Supraleiterübergänge auf, wie Punktkontakt-Übergänge,
Mikrobrücken-Übergänge usw., in denen Paare von Supraleitern
schwach verbunden sind, obwohl ihre Eigenschaften verschieden
sind. Allgemein haben diese Supraleiterübergänge sehr feine
Strukturen, und diese Supraleiter und Nichtsupraleiter werden
aus den sogenannten Filmen gebildet.
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Beispielsweise werden bei der Realisierung eines
Tunnel-Übergangs unter Verwendung eines supraleitenden Oxids
als Supraleiter ein erster Film eines supraleitenden Oxids,
ein Film eines Nichtsupraleiters und ein zweiter Film eines
supraleitenden Oxids in der angegebenen Reihenfolge
laminiert.
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Als Nichtsupraleiter werden, abhängig von den
Anwendungen, ein Isolator, z.B. MgO oder andere, ein
Halbleiter, z.B. Si oder andere, oder ein Metall, z.B. Au
oder andere verwendet. Tunnel-Supraleiterübergänge, die
solche Strukturen aufweisen, weisen voneinander verschiedene
Eigenschaften auf.
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Die Dicke des Nichtsupraleiters eines Tunnel-
Supraleiterübergangs wird durch eine Kohärenzlänge des
Supraleiters bestimmt. Die supraleitenden Oxide weisen so
kurze Kohärenzlängen auf, daß die
Tunnel-Supraleiterübergänge, welche supraleitende Oxide verwenden, die
Nichtsupraleiter in einer Dicke von ungefähr einigen Nanometern
enthalten müssen.
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Der Punktkontakt-Supraleiterübergang und der
Mikrobrücken-Supraleiterübergang benötigen eine sehr präzise
Arbeitsweise, um eine schwache Verbindung zwischen den Paaren
des Supraleiters zu realisieren.
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Andererseits müssen jedoch im Hinblick auf die
betrieblichen Eigenschaften der Supraleiterübergänge die
betreffenden Schichten Einkristalle sein oder Polykristalle,
die Orientierungen aufweisen, welche denen der Einkristalle
sehr ähnlich sind.
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In dem oben beschriebenen Tunnel-Supraleiterübergang
müssen ein erster Film eines supraleitenden Oxids, ein Film
eines Nichtsupraleiters und ein zweiter Film eines
supraleitenden Oxids, die laminiert werden sollen, eine gute
Kristallinität aufweisen. Es ist schwierig, einen Film eines
supraleitenden Oxids mit guter Kristallinität auf einen Film
eines supraleitenden Oxids aufzutragen, und es ist im
Hinblick auf die Eigenschaften des supraleitenden Oxids sehr
schwierig, einen Film eines supraleitenden Oxids von guter
Kristallinität auf dem Film des Nichtsupraleiters zu bilden.
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Selbst wenn diese laminare Struktur realisiert
wurde, konnten die gewünschten guten Eigenschaften wegen der
nicht zufriedenstellenden Bedingungen der Grenzfläche
zwischen dem supraleitenden Oxid und dem Nichtsupraleiter
nicht erhalten werden.
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Ferner ist die präzise Arbeitsweise für die
Realisierung der Punktkontakt-Supraleiterübergänge und der
Mikrobrücken-Supraleiterübergänge sehr schwierig und als
Resultat ist es schwierig, diese Supraleiterübergänge mit
stabilen Eigenschaften mit hoher Reproduzierbarkeit
herzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist das Ziel der Erfindung, eine
Supraleiterübergangsstruktur und ein Verfahren zu deren Produktion zur
Verfügung zu stellen, welche ein supraleitendes Oxid mit
einem neuen Konstitution verwenden, wobei das oben
beschriebene konventionelle Problem ergfolgreich gelöst
werden kann.
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Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung
eine supraleitende Übergangsstruktur zur Verfügung, umfassend
eine zweischichtige Struktur, worin die erste Schicht aus
einem Kristall eines supraleitenden Oxids auf einem Substrat
gebildet ist und einen nach einer c-Kristallachse
orientierten kristallinen Film darstellt; und die zweite Schicht aus
einem Kristall eines supraleitenden Oxids auf der ersten
Schicht gebildet ist und einen nach einer a-Kristallachse
orientierten kristallinen Film darstellt, und eine
supraleitende Übergangsregion an der Grenzfläche zwischen der
genannten ersten Schicht und der genannten zweiten Schicht
gebildet ist.
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Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zur Produktion einer supraleitenden
Übergangsstruktur zur Verfügung, umfassend
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eine erste Stufe zur Bildung eines Kristalls eines
supraleitenden Oxids auf einem Substrat bei einer Temperatur,
die erforderlich ist, um eine c-kristallographische
Orientierung hiervon herbeizuführen; und
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ein zweite Stufe zur Züchtung eines Kristalls eines
supraleitenden Oxids auf der ersten Schicht, wobei das
Substrat auf eine Temperatur eingestellt wird, die niedriger
ist als diejenige bei der ersten Stufe, um eine zweite
Schicht mit einer a-kristallographischen Orientierung zu
bilden, wobei ein supraleitender Zonenübergang an der
Grenzfläche zwischen der ersten Schicht und der zweiten
Schicht gebildet wird.
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Die vorliegende Erfindung wird aus der weiter unten
angegebenen detaillierten Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, die nur zur Erläuterung angeführt sind und somit
nicht als Begrenzung der vorliegenden Erfindung anzusehen
sind, besser verstanden werden.
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Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der
vorliegenden Erfindung wird aus der nachstehend angeführten
detaillierten Beschreibung ersichllich werden. Man sollte
jedoch verstehen, daß die detaillierte Beschreibung und die
speziellen Beispiele, welche die bevorzugten
Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zur Erläuterung angeführt
sind, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb
des Schutzumfangs der Erfindung, wie er in den beigefügten
Patentansprüchen beansprucht wird, den Fachleuten aus dieser
detaillierten Beschreibung offensichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Figur 1 ist ein Schnittbild der supraleitenden
Übergangsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die supraleitende Übergangsstruktur gemäß der
vorliegenden Erfindung umfaßt eine erste Kristallschicht und
eine zweite Kristallschicht, welche aus dem gleichen
supraleitenden Oxid gebildet sind, die auf ein Substrat aus
beispielsweise einem Metalloxid laminiert sind. Die
kristallographischen Achsen der ersten und der zweiten
Kristallschicht stehen orthogonal zueinander.
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Die Figur 1 zeigt eine Schnittstruktur einer
supraleitenden Übergangsstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die nach der a-Kristallachse orientierte
kristalline Schicht 1a des supraleitenden Oxids und das nach der
c-Kristallachse orientierte Kristall 1c des supraleitenden
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Oxids sind auf dem Substrat 4 aus beispielsweise einem
Metalloxid laminiert.
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Die supraleitenden Eigenschaften ändern sich stark
an einer Grenzfläche (einer Korngrenze) zwischen dem
akristallographisch orientierten supraleitenden Oxidkristall
1a und dem c-kristallographisch orientierten supraleitenden
Oxidkristall 1c, und beide supraleitenden Oxidkristalle sind
an der Grenzfläche schwach verbunden. Wenn der nach der a-
Kristallachse orientierte Film des supraleitenden Oxids auf
den nach der c-Kristallachse orientierten Film des
supraleitenden Oxids laminiert wird, wächst der nach der a-
Kristallachse orientierte Film des supraleitenden Oxids nicht
auf dem nach der c-Kristallachse orientierten Film des
supraleitenden Oxids, wenn nicht die Herstellungsbedingungen
des Films sehr genau eingehalten werden. Es ist daher
erforderlich, bei dem Herstellungsverfahren die präzise
Kontrolle zu beachten.
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Die supraleitende Übergangsstrukturgemäß der
vorliegenden Erfindung kann mittels Aufsprühen, MBE,
Vakuumverdampfung oder Laserstrahlabrieb hergestellt werden.
Das heißt, die supraleitende Übergangsstruktur gemäß der
vorliegenden Erfindung wird beispeilsweise mit dem folgenden
Verfahren produziert.
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In dem supraleitenden Übergang der vorliegenden
Erfindung wird ein Film 1c eines supraleitenden Oxids auf
einem Substrat 4, das auf 560 bis 580ºC erhitzt wird,
gebildet. Der bei dieser Substrattemperatur gebildete Film
ist ein supraleitender Oxidfilm mit einem nach der a-
Kristallachse orientierten Kristall. Dann wird das Substrat 4
auf eine Temperatur von 590 bis 650ºC eingestellt und ein
supraleitender Oxidfilm 2a wird gebildet. Der bei dieser
Substrattemperatur gebildete Film ist ein supraleitender
Oxidfilm mit einem nach der a-Kristallachse orientierten
Kristall, und die supraleitende Übergangsstruktur gemäß der
vorliegenden Erfindung ist fertiggestellt.
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Die einzelnen Schichten der supraleitenden
Übergangsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus
dem gleichen Ausgangsmaterial mit dem im Grunde gleichen
Verfahren hergestellt. Die einzelnen Schichten werden
kontinuierlich mit dem gleichen Apparat hergestellt, und
dementsprechend kommt es nicht vor, daß die Grenzflächen
zwischen den einzelnen Schichten während der einzelnen Stufen
der Herstellung des supraleitenden Übergangs exponiert werden
und folglich die Grenzfläche verschlechtert wird. In der
supraleitenden Übergangsstruktur der vorliegenden Erfindung
sind die supraleitenden Schichten lediglich in der
Kristallisationsrichtung voneinander verschieden, aber sie werden
grundsätzlich aus dem gleichep Oxid gebildet. Dementsprechend
werden, selbst wenn die Atome ihrer Komponenten in einer der
supraleitenden Schichten in die andere Schicht diffundieren,
keine nachteilige Einflüsse durch die Diffusion verursacht.
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In dem supraleitenden Übergang gemäß der
vorliegenden Erfindung kann das supraleitende Oxid wahlweise
aus verschiedenen Verbindungen ausgewählt werden, aber
supraleitende Y-Ba-Cu-O Oxide werden bevorzugt, da sie stabil
Filme mit Kristallen von hoher Qualität bilden.
Supraleitende Bi-Sr-Ca-Cu-O Oxide werden insbesondere aufgrund ihrer
hohen kritischen Supraleitungstemperatur Tc bevorzugt.
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Vorzugsweise wird der supraleitende Übergang gemäß
der vorliegenden Erfindung auf einem Oxidsubstrat, wie MgO,
SrTiO&sub3;, YSZ oder dergleichen hergestellt.
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Die vorliegende Erfindung wird wird nachstehend
detaillierter unter Bezugnahme auf Beispiele erklärt werden.
die folgende Offenbarung betrifft lediglich Beispiele der
vorliegenden Erfindung und begrenzt nicht den technischen
Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.
Beispiel 1
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Der supraleitende Übergang der Figur 1 gemäß der
vorliegenden Erfindung wurde hergestellt. Zuerst wurde ein
nach der c-Kristallachse orientierter supraleitender Film von
Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x als erste supraleitende Schicht 1c auf der
(100)Fläche eines MgO-Substrats mittels Aufsprühen gebildet.
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Die wichtigsten Bedingungen für die Filmbildung
sind folgende.
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Dann wurde ein nach der a-Kristallachse orientierte
Film von Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x 2a als zweite supraleitende Schicht auf
der ersten supraleitenden Schicht durch Aufsprühem gebildet.
Die wichtigsten Bedingungen für die Filmbildung sind
folgende.
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Der so hergestellte supraleitende Übergang gemäß der
vorliegenden Erfindung wurde mit Anschlüssen versehen und
seine Eigenschaften wurden gemessen. Der Übergang wurde auf
85 K hinunter gekühlt und eine Frequenz von 15 GHz und eine
0,2 mW Mikrowelle wurden zugeführt. Shapirostufen wurden bei
Spannungspunkten von Vielfachen von 31 uV beobachtet und es
wurde bestätigt, daß ein Josephson-Übergang realisiert wurde.
Beispiel 2
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Der supraleitende Übergang der Figur 1 gemäß der
vorliegenden Erfindung wurde unter Verwendung des
supraleitenden Oxids Bi-Sr-Ca-CuO hergestellt. Ein nach der
c-Kristallachse orientierter supraleitender Film von
Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;Ox wurde als erste supraleitende Schicht 1c auf
der (100)Fläche eines MgO-Substrats gebildet. Die wichtigsten
Bedingungen für die Filmbildung sind folgende.
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Dann wurde ein nach der a-Kristallachse orientierter
Film von Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;Ox 2a als zweite supraleitende Schicht auf
der ersten supraleitenden Schicht durch Aufsprühem gebildet.
Die wichtigsten Bedingungen für die Filmbildung
sind folgende.
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Der so hergestellte supraleitende Übergang gemäß der
vorliegenden Erfindung wurden mit Anschlüßen versehen und
seine Eigenschaften wurden gemessen. Der Übergang wurde auf
90 K hinunter gekühlt und eine Frequenz von 11 GHz und eine
0,1 W Ausgangsmikrowelle wurde zugeführt. Shapirostufen
wurden bei Spannungspunkten von Vielfachen von 22,7 uV
beobachtet und es wurde bestätigt, daß ein Josephson-Übergang
realisiert wurde.