NL8901874A - Planaire josephson inrichting. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

"Planaire Josephson inrichting"

De uitvinding heeft betrekking op een planaire Josephsoninrichting en een werkwijze voor het vervaardigen daarvan, welkeinrichting twee lagen van een oxidisch supergeleidend materiaal omvatmet daartussen ten minste één niet-supergeleidende laag.

Een werkwijze voor het vervaardigen van een Josephsoninrichting of Josephson junctie is beschreven in een artikel vanM.G.Blamire et.al., in J.Phys.D: Appl. Phys. 2£, bladzijden 1330-1335(1987). Daarbij wordt op een substraat uit saffier een bufferlaag uitY2O3 aangebracht, met daarop een eerste oxidische supergeleidendelaag uit Yl^CujO-^g. Vervolgens wordt een dunne laag uit Y2O3aangebracht welke dienst doet als tunnelbarrière. Daarna wordt eentweede laag uit Yl^C^Oy.g aangebracht, waarop desgewenstcontacten uit Nb worden geplaatst. De dunne lagen worden vervaardigddoor middel van dc magnetron sputteren met metallische trefplaten in eenoxiderende atmosfeer. In de lagen worden patronen aangebracht doormiddel van plasmaetsen of ionetsen.

De supergeleidingseigenschappen, met name de hoogstetemperatuur Tc waarbij supergeleiding optreedt, worden bij de nubekende oxidische supergeleidende materialen in negatieve zin beïnvloeddoor de aanwezigheid van een groot aantal metallische elementen, waaropzilver en goud enkele van de weinige uitzonderingen vormen. Vooral eenverstoring van het zuurstofgehalte lijkt ongewenste gevolgen te hebben.Bij het vervaardigen van inrichtingen zoals een Josephson inrichting,waarin een tunnelbarrière nodig is, moet daarom voorkomen worden dater diffusie optreedt vanuit de tunnelbarrière naar het supergeleidendemateriaal, of dat er een reactie optreedt tussen de tunnelbarrière enhet supergeleidende materiaal. Daartoe kunnen bufferlagen uit eenzuurstofdoorlatend metaal zoals zilver worden toegepast, maar dat is bijhoge temperatuur niet altijd voldoende.

De uitvinding beoogt ondermeer een Josephson inrichtingte verschaffen, en een eenvoudige werkwijze om deze te vervaardigen,waarbij in de tunnelbarrière geen andere metallische elementen dan zilver worden toegepast.

De uitvinding beoogt bovendien een tunnelbarrière vooreen Josephson inrichting te verschaffen, die stabiel is bij de hogetemperatuur die nodig is bij het uitstoken van het supergeleidendemateriaal.

De uitvinding beoogt daarbij een Josephson inrichting teverschaffen, waarbij de twee supergeleidende lagen beide zijn gevormduit het zelfde of uit twee verschillende oxidische supergeleidendematerialen.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan dooreen inrichting en een werkwijze zoals in de aanhef zijn omschreven,waarbij de niet-supergeleidende laag wordt vervaardigd uit zilversulfaatdat met de supergeleidende lagen wordt verbonden via lagen uit zilver.

In een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgensde uitvinding wordt het zilversulfaat vervaardigd uit zilver door eenreactie met een mengsel van zwaveldioxide en zwaveltrioxide.

In een alternatieve uitvoeringsvorm van de werkwijzevolgens de uitvinding wordt het zilversulfaat vervaardigd uit zilverdoor een reactie met waterstofsulfide gevolgd door oxidatie metzuurstof. Een bijzonder voordeel van deze uitvoeringsvorm is demogelijkheid om de oxidatie met zuurstof gelijktijdig met eenuitstookstap van het oxidische supergeleidende materiaal uit te voeren.

Een werkwijze voor het vervaardigen van een Josephsoninrichting waarin een niet-supergeleidende laag via lagen uit edelmetaalwordt verbonden met twee lagen van een oxidisch supergeleidendmateriaal, is beschreven in de niet vóórgepubliceerde Nederlandseoctrooiaanvrage NL 8900405.

Dunne lagen uit oxidisch supergeleidend materiaal kunnenmet verschillende, op zich bekende methoden worden verkregen. Daarbij isin het algemeen een behandeling bij hoge temperatuur noodzakelijk terverkrijging van de gewenste samenstelling, vooral ten aanzien van dezuurstofhuishouding en de valentie van de metaalatomen, met namekoperatomen. Dunne lagen uit het oxidische supergeleidende materiaalYBa2Cu307_5 worden bijvoorbeeld volgens M.Gurvitch et.al., zieAppl.Phys.Lett. 51 (13), bladzijden 1027-1029 (1987), vervaardigd doormiddel van dc magnetron sputtêrdepositie onder toepassing vanmetallische trefplaten in een oxiderende atmosfeer, gevolgd door uitstoken bij hoge temperatuur, bijvoorbeeld 800° tot 900°C. Andereveel toegepaste werkwijzes zijn opdampen, laserablatie en chemischedepositie vanuit de dampfase. C.E.Rice et.al. beschrijven inAppl.Phys.Lett. 52. (21), bladzijden 1828-1830 (1988), een werkwijze voorhet vervaardigen van dunne lagen uit Ca-Sr-Bi-Cu oxides door middel vanhet opdampen van CaF2, SrF2, Bi en Cu, gevolgd door oxidatiestappenbij 725° en 850°C. De behandelingen bij hoge temperatuur zijn nodigom een materiaal te verkrijgen met een hoge waarde van de kritischetemperatuur Tc, dat is de temperatuur waarbeneden supergeleidendgedrag optreedt.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand vanuitvoeringsvoorbeelden en een tekening, waarin

Figuur 1 schematisch een Josephson inrichting volgens deuitvinding toont, en waarin

Figuur 2 a-c schematisch een aantal stappen uit eenwerkwijze volgens de uitvinding toont.

Uitvoerinasvoorbeeld 1.

Figuur 2a toont een substraat 10, uit strontiumtitanaatSrTi03, waarop een oxidische supergeleidende laag 11 uitYBa2Cu30g η is aangebracht, bijvoorbeeld door middel van opdampen,waarbij het substraat op een temperatuur van 850°C wordt gehouden. Ookandere substraatmaterialen, bijvoorbeeld MgO, Y203 en substratenzoals saffier met beschermende bufferlagen, bijvoorbeeld Ta20t;,

LaF3 en Zr02 kunnen met goed gevolg in de werkwijze volgens deuitvinding worden toegepast.

In het supergeleidende materiaal kunnen op bekende wijzesubstituties worden toegepast, zonder dat de effectiviteit van dewerkwijze volgens de uitvinding daardoor wordt aangetast. Zo kan Ybijvoorbeeld geheel of gedeeltelijk door zeldzame aardmetaalionen wordenvervangen, Ba kan worden vervangen door Sr of Ca, en 0 kan gedeeltelijkworden vervangen door F. De uitvinding kan ook worden toegepast metandere oxidische supergeleidende materialen, zoals Ca-Sr-Bi-Cu oxides,waarin Bi gedeeltelijk door Pb kan worden vervangen, (La,Sr)2Cu04 encupraten welke naast Tl ook nog Ca en/of Ba bevatten.

In plaats van door middel van opdampen, kan de laag 11bijvoorbeeld door middel van sputteren worden vervaardigd, onder toepassing van een trefplaat met de gewenste samenstelling. Hetsubstraat wordt daarbij op een hoge temperatuur gehouden, maar het isook mogelijk om de depositie bij lagere temperatuur te doenplaatsvinden. In dat geval is een nabehandeling bij hoge temperatuurnodig om de gewenste supergeleidende eigenschappen te verkrijgen.

In een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgensde uitvinding wordt laag 11 vervaardigd door dc triode sputteren met eenspanning van 1 kV in Ar bij een druk van ongeveer 0.5 Pa. Deze laagwordt vervolgens onderworpen aan een uitstookbehandeling bij 700° tot800°C in zuurstof gedurende ongeveer 2 uur, waarbij laag 11 het juistezuurstofgehalte en de gewenste supergeleidende eigenschappen verkrijgt.Op de laag 11 wordt, bijvoorbeeld door middel van sputteren, een laag 12uit zilver aangebracht met een dikte van 50 nm, zie Figuur 2b. De lagenworden vervolgens onderworpen aan een uitstookbehandeling bij 450°C inzuurstof gedurende 0.5 uur, waarbij een supergeleidend contact wordtverkregen tussen het zilver 12 en het supergeleidende materiaal 11.

Het oppervlak van de zilverlaag wordt omgezet inzilversulfaat Ag2S04 door een reactie met een gasmengsel van H2Sen N2 (volumeverhouding 1 : 4) bij kamertemperatuur en een druk van 1atmosfeer gedurende 10 minuten, gevolgd door een nastookbehandeling bij350°C in zuurstof gedurende 1 uur. Hierdoor wordt een laag 13 uitzilversulfaat vervaardigd met een dikte van ongeveer 2 nm.

Een tweede supergeleidende laag 11', aangebracht op eensubstraat 10' en voorzien van een zilverlaag 12' wordt op dezilversulfaatlaag 13 geperst bij een temperatuur van 200°C en een

O

persdruk van ongeveer 30 N/mm m een zuurstofatmosfeer. Figuur 1toont de op deze wijze vervaardigde Josephson inrichting.

Vóór het samenpersen van de twee delen van deJosephson inrichting kunnen desgewenst op bekende wijze patronen in delagen worden aangebracht, bijvoorbeeld door middel vanfotolithografische technieken, gevolgd door plasma- of ionetsen.

De Josephson inrichting kan ook op een zodanige wijzeworden vervaardigd, dat na het vormen van de zilversulfaatlaag 13 daaropeen laag 12' uit zilver wordt opgedampt, waarna daarop eensupergeleidende laag 11' wordt aangebracht.

Het is bijzonder doelmatig om de omzetting vanzilversulfide (gevormd door de reactie met H2S) in zilversulfaat gelijktijdig te doen plaatsvinden met de voor de supergeleidende laag oflagen benodigde uitstookbehandeling.

Uitvoerinasvoorbeeld 2.

Een Josephson inrichting wordt vervaardigd op de inuitvoeringsvoorbeeld 1 aangegeven wijze, met het onderscheid, dat dezilversulfaatlaag 13 wordt vervaardigd door een reactie van dezilverlaag 12 met een gasmengsel van SO2 en SO3 (volumeverhouding 1: 1) bij kamertemperatuur en atmosferische druk gedurende 10 minuten.

Claims (5)

1. Planaire Josephson inrichting met twee lagen van eenoxidisch supergeleidend materiaal met daartussen ten minste één niet-supergeleidende laag, met het kenmerk, dat de niet-supergeleidende laagbestaat uit zilversulfaat dat met de supergeleidende lagen is verbondenvia lagen uit zilver.

2. Werkwijze voor het vervaardigen van een Josephsoninrichting met twee lagen van een oxidisch supergeleidend materiaal metdaartussen ten minste één niet-supergeleidende laag, met hetkenmerk, dat de niet-supergeleidende laag wordt vervaardigd uitzilversulfaat dat met de supergeleidende lagen wordt verbonden via lagenuit zilver.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat hetzilversulfaat wordt vervaardigd uit zilver door een reactie met eenmengsel van zwaveldioxide en zwaveltrioxide.

4. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat hetzilversulfaat wordt vervaardigd uit zilver door een reactie metwaterstofsulfide gevolgd door oxidatie met zuurstof.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat deoxidatie met zuurstof gelijktijdig met een uitstookstap van hetoxidische supergeleidende materiaal wordt uitgevoerd.