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《南开大学》 2010年
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高温超导约瑟夫森结及阵列毫米波特性研究

岳宏卫  
【摘要】:近年来,超导电子学的研究和应用得到了飞速的发展。以约瑟夫森效应和磁通量子化效应为基础发展起来的一系列超导电子学器件如超导SQUID、混频器、微波和远红外波段的检测器、高频信号发生器、参量放大器、电压基准和超导数字电路等具有噪声低、功耗小、灵敏度高、响应速度快和频率覆盖宽等一系列优异的性能,在军事、航空航天、医学等领域中具有十分重要的应用。本论文通过仿真和实验测量的方法对高温超导约瑟夫森结的高频特性及其应用进行了较为系统的研究,具体的研究内容及其成果归纳如下: 1、利用CST三维电磁仿真软件设计并制作了一套8mm波段半共焦Fabry-Perot谐振腔,并用它建立起一套高温超导约瑟夫森结特性测量系统。此系统具有以下几个重要的特点:第一、通过螺旋测微器可以精细调节谐振腔两镜面之间的距离,可使谐振腔工作在TEMooq基模状态下,此时腔内电磁场呈高斯驻波分布,在近轴区域近似于空间平面波。这样的场分布非常适合于用来观测约瑟夫森结的微波辐照特性。第二,可以精细调节样品在谐振腔中的位置,使样品处在腔内电场较强的地方。第三,可以方便地改变腔内电场的方向。通过精细调节这些结构参数,可使约瑟夫森结与外加电磁场处于最佳耦合状态,观测到高质量的Shapiro台阶。这在电压基准以及THz波信号发生和检测方面有重要的意义。 2、通过实验研究了Tl-2212高温超导薄膜双晶约瑟夫森结的特性。虽然国际上已经对高温超导约瑟夫森结的特性进行了充分的研究,并报导了很多的研究成果,但他们主要针对用YBCO高温超导薄膜制备的约瑟夫森结的特性进行研究,而用Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜制备的约瑟夫森结的特性研究不多,特别是用SrTiO3基片作衬底的情况。由于铊膜比钇膜具有更高的临界转变温度,更耐潮,因此更适合于用来制作微波应用的器件,对用铊膜制成的双晶约瑟夫森结的特性进行研究,有重大的意义。特别地,本论文所用的约瑟夫森结是由生长在双晶SrTiO3衬底上的Tl-2212高温超导薄膜制备的。一般来说,SrTiO3衬底的介电常数较大,损耗角的正切也较大,不利于器件的高频应用,但本研究结果表明,用SrTiO3衬底制备的双晶约瑟夫森结在毫米波辐照下,也能观测到陡直的、幅度较高的Shapiro台阶。 3、通过实验研究了YBCO高温超导双晶约瑟夫森结阵列的毫米波辐射特性。研究发现,由于单个约瑟夫森结的阻抗太小,很难实现与外部微波电路的阻抗匹配,因此辐射功率很小,没有实用价值。为了有效提高约瑟夫森结的辐射功率,我们采用多个双晶约瑟夫森结串联,集成半波偶极天线阵,介质谐振器(介质基片)和Fabry-Perot谐振器共同作用的方法。研究结果表明此方法可有效地提高双晶约瑟夫森结的辐射功率。这对用约瑟夫森结制作高频信号发生器有重要的意义。 4、利用倾斜生长的T1-2212高温超导薄膜制备出本征约瑟夫森结阵列,分别测量到多分支和单分支结构的I-V特性曲线。特性曲线具有很强的回滞,证明T1-2212薄膜本征结阵列是属于SIS类型。多分支结构的出现是由于结尺寸的不一致性造成的,改进刻蚀工艺后,得到单分支结构的I-V特性曲线。把本征结嵌入到Fabry-Perot谐振腔中,对其毫米波辐照特性进行研究。尽管初步观测没有发现Shapiro台阶,但是在实验中本征结阵列对外加电磁场的响应较强烈,只要用0mW的辐照功率,就能把临界电流压制到零。这说明利用Fabry-Perot谐振腔技术,能有效改善本征结与外加电磁场的耦合关系,对用本征结制作高频信号源有重要的意义。
【学位授予单位】:南开大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O511

【引证文献】
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