SU1034548A1

SU1034548A1 - Device for many josephson junctions and method of manufacturing same

Info

Publication number: SU1034548A1
Application number: SU813302328A
Authority: SU
Inventors: Н.А. Белоус; А.М. Габович; И.В. Лежненко; Д.П. Моисеев; С.К. Уварова
Original assignee: Ордена Трудового Красного Знамени Институт Физики Ан Усср; Институт металлофизики АН УССР
Priority date: 1981-03-25
Filing date: 1981-03-25
Publication date: 1984-08-15

Description

2. Способ изготовлени устройства со многими джозефсоновскими переходами , заключающийс в изготовлении множественной структуры с переходами сверхпроводник - изол тор - сверхпроводник и нанесении на нее электродов, отличающийс тем, что, с целью упрощени технологии изготовлени и повышени надежности и стабильности параметров, множественную структуру получают путем спекани несверхпровод щих порошков BaPbO и ВаВЮч до образовани сверхпровод щего твердого раствора с зернистой макроструктурой при температуре 9001100 К в течение 0,5-10 ч.2. A method of manufacturing a device with many Josephson junctions, consisting in producing a multiple structure with superconductor-isolator-superconductor transitions and applying electrodes onto it, characterized in that, in order to simplify the manufacturing technology and increase reliability and stability of parameters, a multiple structure is obtained by sintering nonsuperconducting BaPbO and BaViuch powders to form a superconducting solid solution with a granular macrostructure at a temperature of 900–1100 K for 0.5–10 h.

Изобретение относитс к сверхпро д щим устройствам и способам их изготовлени , в частности к устройств использующим эффект Джозефсона, и м жет найти применение в качестве переключател электпических сигналов, детектора, генератора электромагнит ного излучени и т.п. Известно устройство с пленочным туннельным переходом Джозефсона, ко торое содержит сплошную однородную пленку тоЛ(ИноГ| 1-3 нм 111. Наиболее близким по технической сути вл етс устройство со многими джозефсоновскими переходами, содержащсе св злнные сверхпровод щие эле менты, разделенные изолирующими сло ми, на поверхности которого расположены электроды 2 . Недостаток устройства со многими Дл:озефс(,и1овскими переходами заключаетс ,в том, что оно фактически ,ста1зл ет собой один, множествен ный джозефсоновский переход, т.е. . функциональные возможности такого устройства ограничены. Кроме того, устройство такого типа подвержено процессом старени и необратимым изменени м при термоциклировании в результате разрушени изолирующего сло . Известен также способ изготовлени устройства со многими джозефсоновскими переходами, заключающийс в изготовлении множественной структуры с переходами.сверхпроводник изол тор - сверхпроводник и нанесении пленочных электродов Г2. Недостатками этого, способа вл ютс использование дорогосто щего оборудовани , сложных технологических линий и квалифицированной рабочей силы; необходимость многих циклов напылени сверхпровод щих пленок и нанесени изолирующего сло , что сопр жено со значительными потер ми времени на изготовление одного устройства. Кроме того, способ не обеспечивает надежности и стабильности париметров устройства из-за процессов старени и необратимых изменений при термоциклировании. Целью изобретени вл етс расщирение функциональных возможностей, создание устройства с множеством раздельных переходов, каждый из которых вл етс переходом с множественЕ1ЫМ джозефсоновским туннелированием, а также упрощение технологии изготовлени и повышение надежности и стабильности параметров. Указан 1а цель достигаетс тем, что в известном устройстве, на поверхности которого расположены электроды , содержащем св занные сверхпровод щие элементы, разделенные изолирующими сло ми, сверхпровод щие элементы выполнены в виде зерен спеченной керамики ВаРЬ В1 О , где х 0,2-0,3, которые объединены в тело нроизвольной формы, при этом средний размер зерна 1-10 мкм, а количество электродов соответствует числу задействованных джозефсоновских переходов . В способе изготовлени устройства со многими джозефсоновскими переходами , заключающемс в изготовлении множественной структуры с переходами сверхпроводник - изол тор - сверхпроводник и нанесении на нее электродов , множественную структуру изготавливают спеканием несверхпровод щих порошков ВаРЬО,и BaBiO до образовани сверхпровод щего твердого раствора с зернистой макроструктурой при температуре 900-1ЮО К в течение 0,5-10 ч. На фиг. 1 дана схема предлагаемого устройства. Устройство содержит сверхпровод щую керамику ,, 1 в виде массивного образца или пленки, элект роды 2, представл ющие токовые Т и потенциальные П контакты. Кроме того на чертеже изображены зерна керамики 3 и изолирующие прослойки 4. Работает устройство следующим образом. Рабоча температур , поддерживаетс , как и в,обычном переходе Джозефсона, ниже Т (IV кр1 тическа температура перехода в сверхпровод щее состо ние) . Контакты Т , Т, подключены к генератору тока. Напр жение снимаетс с конт;:ктов li , 11„ При протекании тока ,- с конта тов П,1, П снимаетс напр жением, от вечающее вольт-амперной характеристике , представленной на фиг. 2. Это напр жение может управл тьс включением малого магнитного пол , уменьша ющего значение е. В поле Э Ос уменьшаетс до пул . Предлагаемое изобретение позволит расширить функциональные возможности устройств, использующих джозефсоновское туннелирование в технике и создать на его основе различные быстродействующие нелинейные элементы. Устройство изготавливают следующим образом. Измельчают керамику BaPbOjn керамику BaBiOj в порошок со средним размером зерен d1-10 мкм Эти порошки вл ютс исходными дл образовани твердого раствора ВаР , нужного состава, где X О,-2-0,3. Указанные составы выбираютс из тех соображений, что согласно экспериментальной зависимости критической температуры Т перехода в сверхпровод щее состо ние от состава твердого раствора X (фиг. 3) максимальные значени Т достигаютс при 0,2 t ;( 4 0,3. Смешива указанные порошки, напри мер, в соотношении Pb/Bi 4, прессу ют их в тело произвольной формы. Спе кание производ т в обычной печи типа М1-2УМ на воздухе при высокой температуре 900-1100К в течение 6 ч, за это врем происходит образование сверхпровод щего твердого раствора с кристаллической решеткой типа перовскита и зернистой макроструктурой с диэлектрическими npocjioiiKaMii. Затем производитс нанесение необходимого количества контактов, например, способом вжигани серебросодержащих паст. Показателем готовности устройств дл про влени эффекта Джозефсона вл етс форма и ширина перехода в сверхпровод щее состо ние. Это объ сн етс тем, что иа.чичие диэлектрических прослоек между зернами приводит к по влению различи между критической температурой перехода в серхпровод щее состо ние каждого отдельного зерна макроскопических размеров и критическо темпсратуроЛ перехода в сверхпровод щее состо ние всего образца, обусловленной дж(Г сфсоновскими св з ми. В этом случ с измерени индуктивным метолом фиксируют размытые кривые перехода. При температуре спекани Т 1000°К, лежащс в указанном ныше оптимальном интерв.лс, но дл малого времени спекани -0,5 ч (фиг. 4, крива 1) необхо;и1ма дл про влени сверхпровод щих и джозефсонопских свойств структура не успевает образоватьс . После длительного спекани в течение 10ч образуетс сверхпровод щий твердый раствор с узким IK.- реходом в сверхпровод щее состо ние (фиг. 4, крива 3). Дизлектрмчоские прослойки и джозефсоновские свойства при этом уже практически отсутствуют . При той же томнературс спекани 1000 К и времени спекани , .Сжащем в интервале 0,5 10 ч, получаютс оптимальные образцы с размытыми кривыми перехода, про вл ющие джозс фсоновские свойства. Если проводить изготовление устройства при температуре 900К, то необходима дл про влени джозефсоновских свойств струкрура не образуетс не только за врем спекани , лежащее в и 1тервале 0,5-10 ч, но и 10 ч в результате плохого спекани керамики (фиг. 5, крива 1). С другой стороны, если температура спекани превысит 1100 К, то даже при -t сО,5 ч получаетс сверхпровод ща структура с отсутствием джозефсоновских свойств и резким переходом в сверхпровод щее состо ние (фиг. 5, крива 2) за счет исчезновени диэлектрических прослоек. 5 Такие ИЗМСЧ1СНИЯ необратимы и при всех временах ,5 ч крива 2 на фиг. 5 сохран ет свой вид. Использование предлагаемого изоб ретени позволит упростить изготовление устройств со многими джозефсоновскими переходами и одновременно повысить надежность и стабильнос устройства за счет использовани The invention relates to superconductive devices and methods for their manufacture, in particular to devices using the Josephson effect, and can be used as a switch for electrical signals, a detector, an electromagnetic radiation generator, and the like. It is known a device with a Josephson film tunnel junction, which contains a continuous homogeneous film of films (InoG | 1-3 nm 111. The closest in technical essence is a device with many Josephson junctions containing coupled superconducting elements separated by insulating layers, on the surface of which electrodes 2 are located. The disadvantage of the device with many DL: ozefs (with its own transitions lies in the fact that it actually consists of one, multiple Josephson junction, i.e. a functional The capabilities of this device are limited. In addition, a device of this type is subject to an aging process and irreversible changes during thermal cycling as a result of the destruction of the insulating layer. There is also known a method of manufacturing a device with many Josephson junctions, which consists in producing a multiple structure with transitions. superconductor insulator - superconductor and deposition of film electrodes G2. The disadvantages of this method are the use of expensive equipment, sophisticated technology FIR lines and skilled labor; the need for many cycles of sputtering superconducting films and the deposition of an insulating layer, which is associated with a considerable loss of time for the manufacture of a single device. In addition, the method does not ensure the reliability and stability of the device parimeters due to aging processes and irreversible changes during thermal cycling. The aim of the invention is to expand the functionality, to create a device with a plurality of separate junctions, each of which is a transition with multiple Josephson tunneling, as well as to simplify the manufacturing technology and increase the reliability and stability of the parameters. This 1a objective is indicated by the fact that in a known device, on the surface of which electrodes are located, containing associated superconducting elements separated by insulating layers, the superconducting elements are made in the form of grains of sintered VARE B1 O ceramic, where x is 0.2-0. 3, which are combined in the body of an arbitrary shape, with the average grain size of 1-10 microns, and the number of electrodes corresponds to the number of involved Josephson junctions. In the method of manufacturing a device with many Josephson junctions, consisting in producing a multiple structure with superconductor – isolator – superconductor transitions and applying electrodes on it, the multiple structure is made by sintering non-superconducting BARO and BaBiO powders to form a superconducting solid solution with a granular mixture. 900-1 SO for K for 0.5-10 hours. FIG. 1 is a diagram of the proposed device. The device contains a superconducting ceramics ,, 1 in the form of a massive sample or film, electrodes 2, representing current T and potential P contacts. In addition, the drawing shows the grains of ceramic 3 and the insulating layer 4. The device operates as follows. The operating temperature is maintained, as in the usual Josephson junction, below T (IV is the critical transition temperature to the superconducting state). Contacts T, T, are connected to the current generator. The voltage is removed from the contact;: li, 11 "When current flows, - from contacts P, 1, P is removed by the voltage corresponding to the current-voltage characteristic shown in Fig. 2. This voltage can be controlled by the inclusion of a small magnetic field, which decreases the value of e. In the field, E C decreases to a pool. The proposed invention will expand the functionality of devices using Josephson tunneling in engineering and to create on its basis various high-speed nonlinear elements. The device is made as follows. Ceramics BaPbOjn ceramics BaBiOj are ground into a powder with an average grain size of d1-10 µm. These powders are the starting materials for the formation of a solid solution of Bap, of the desired composition, where X 0 is -2-0.3. These compositions are chosen from the considerations that, according to the experimental dependence of the critical temperature T of the transition to the superconducting state on the composition of the solid solution X (Fig. 3), the maximum values of T are reached at 0.2 t; (4 0.3. Mixing these powders, For example, in the Pb / Bi 4 ratio, they are pressed into an arbitrary body. Sintering is carried out in a conventional M1-2UM type furnace in air at a high temperature of 900-1100 K for 6 hours, during which time a superconducting solid crystal lattice solution The type of perovskite and granular macrostructure with dielectric npocjioiiKaMii is then applied. The required number of contacts are applied, for example, by fusing silver-containing pastes. The availability of devices for producing the Josephson effect is the form and width of the transition to the superconducting state. that the presence of dielectric interlayers between the grains leads to the appearance of a difference between the critical transition temperature of each individual grain to the serkhconducting state their size and critical temperature transition to the superconducting state of the entire sample, due to j (r by sphson connections. In this case, the measurement of inductive metol fix blurred transition curves. At a sintering temperature of 1000 ° K lying in the optimum interval indicated above, but for a short sintering time of -0.5 h (Fig. 4, curve 1), the structure does not have time to produce superconducting and Josephsonopic properties. . After long sintering for 10 hours, a superconducting solid solution is formed with a narrow IK. Transition to the superconducting state (Fig. 4, curve 3). At the same time, there are practically no dislectic layers and Josephson properties. With the same sintering temperature of 1000 K and a sintering time. Compressed in the range of 0.5–10 h, optimal samples are obtained with diffuse transition curves that exhibit john's properties. If the device is fabricated at a temperature of 900K, then the structure necessary for the manifestation of the Josephson properties of the structure does not form not only during the sintering time, which lies in the first interval of 0.5-10 hours, but also 10 hours as a result of poor sintering of the ceramics (Fig. 5, curve one). On the other hand, if the sintering temperature exceeds 1100 K, even at -t CO, 5 hours, a superconducting structure is obtained with no Josephson properties and an abrupt transition to the superconducting state (Fig. 5, curve 2) due to the disappearance of the dielectric interlayers. 5 Such IMSCCHS are irreversible even at all times, 5 hours of curve 2 in FIG. 5 retains its appearance. The use of the proposed invention will allow to simplify the manufacture of devices with many Josephson junctions and at the same time increase the reliability and stability of the device by using

кto

СWITH

ff керамической .технологии, более простой и наложной по сравнению с вакуумной тонкогшеночкой технологией. Процессы старени и необратимые изменени при термоциклировании в процессе эксплуатации, свойственные прототипу, устран ютс ОКИСЕГЫМ характером керамики, синтезируемой на воздухе, и высокими температурами образовани твердого раствора.ff ceramic .technology, more simple and superimposed in comparison with vacuum tonkarshenochkoy technology. The aging processes and irreversible changes during thermal cycling during operation, typical of the prototype, are eliminated by the OXIG character of ceramics synthesized in air and by the high temperatures of solid solution formation.

/fa/7/j e/f e Йуг 2/ fa / 7 / j e / f e Yug 2

Claims

1. A device with many Josephson junctions, on the surface of which there are electrodes containing coupled superconducting elements separated by insulating layers, characterized in that, in order to expand the functionality, the superconducting elements are made in the form of grains of sintered BaP '\. ^ Ceramics. Γ1ΐ _χ 0 ₃ , where x = 0.2-0.3, which are combined into a body of arbitrary shape, with an average grain size of -10 μm, and the number of electrodes corresponds to the number of Jesophson transitions involved.

SU 1034548

FIG. BUT

2. A method of manufacturing a device with many Josephson junctions, which consists in manufacturing a multiple structure with superconductor-insulator-superconductor junctions and depositing electrodes on it, characterized in that, in order to simplify the manufacturing technology and increase the reliability and stability of parameters, a multiple structure is obtained by sintering of non-superconducting powders VaROl and BaBxOch to form a superconducting solid solution with a granular macrostructure at a temperature of 9001100 K for 0.5-10 hours