Szupravezetők műszaki alkalmazásai II Balázs Zoltán Főiskolai adjunktus BMF. Mikroelektronika Intézet

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II Szupravezető szalagok és filmek

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II Néhány HTS szupravezető anyag kritikus hőmérséklete 2-es típusú szupravezetők 3. csoport/kerámiák TC Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8,33 138K HgBa2Ca2Cu3O8 133K HgBa2Ca3Cu4O10 125K Tl2Ba2Ca2Cu3O10 127K Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110K YBa2Cu3O7 93K Y2Ba4Cu7O15 93K

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s1. ábra Az YBa2Cu3O7-8 (YBCO) a leggyakrabban alkalmazott HTS szupravezető anyag. Jellemzői: TC=90-93K HC1=10mT HC2=300T Kristályszerkezete:

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II Szupravezető vékonyfilm gyártási módszerei: - In-situ: a réteg növesztése után az elkészített film további gyártási tevékenység nélkül, hűtés után szupravezető állapotba vihető. A növesztés során a rétegbe bevitt anyag a szupravezető kristályrács valamennyi összetevőjét megfelelő összetételben tartalmazza.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II Szupravezető vékonyfilm gyártási módszerei: - Ex-situ: a réteg növesztése után az elkészített filmen még egy gyártási tevékenységet kell elvégezni. A növesztés során a rétegbe bevitt anyagok a szupravezető kristályrács összetevői közül az oxigént nem tartalmazzák, így azt egy újabb gyártási fázisban diffúzióval juttatják be a kristályrácsba.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s2. ábra Első generációs vékonyfilm szerkezetű HTS /YBCO bevonatú/ szalag gyártása: - Extrudálással és henger- léssel kialakítják a vezeték hordozó szalagját - A fenti műveletek során átalakult kristályszerke- zetet hőkezeléssel újra- kristályosítják a kívánt szerkezetre. /felső ábra/ - Oxidréteget hoznak létre a flexibilis hordozórétegen /alsó ábra/

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s3. ábra Első generációs vékonyfilm szerkezetű HTS szalag gyártása: - a szupravezető alapanyag felvitele a hordozóra /felső ábra/ - Hőkezeléssel a kívánt kristályszerkezet kiala- kítása valamint az oxi- dációs folyamat végig- vitele. /alsó ábra/

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s4. ábra Első generációs vékonyfilm szerkezetű HTS vezeték gyártása: - A szupravezető szalag méretre darabolása. Az YBCO technológiával gyártott szupravezető vezetékek jelenleg csak laboratóriumi felhasználásra készülnek. Ezen vezetékek igen nagy áramok átvitelére alkalmasak, de a jelenlegi technikával csak rövid vezetékdarabok gyárthatók.                                                                                                                       back to top

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s5. ábra Második generációs HTS vezetőfilm szerkezete.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s6. ábra A második generációs szupravezető szalag gyártási szempontjai

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s7. ábra Rétegnövesztés idődiagramja. a.) standard LAO vagy STO szubsztráton b.) szilikon szubsztráton

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s8. ábra A kész szupravezető szalag.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s9. ábra A szupravezető szalag kritikus áramerőssége a szalaggal párhuzamos mágneses térben. ICmin(77K, csak saját mágneses tér) =115A Je=12700 A/cm2

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s10. ábra A szupravezető szalag kritikus áramerőssége a szalag síkjára merőleges mágneses térben. Átlagos vastagsága: 0,22mm Maximális szalaghossz: 800m

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II Vékonyfilm rétegnövesztési technikák: -MBE: molecular beam epitaxy- folyamatos molekula sugárnyaláb építi fel a megfelelő rétegvastagságot. Az alapanyag elgőzölög- tetése hozza létre a nyalábot. Jól szabályozható folyamat, jó minőség. -ALE: atomic layer epitaxy – az MBE különleges változata: az összetevő atomok áramlásának egymást követő ki- és bekapcsolása építi a réteget.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II Vékonyfilm rétegnövesztési technikák: -CVD: chemical vapor deposition – két vagy több gázhalmazállapotú összetevő kémiai reakciója hozza létre a réteget a forró szubsztrát felületén. -PLD: pulsed laser deposition – 2Hz körüli frekvenci- ával pulzáló lézer sugár párologtatja el a alapanyagot. Az eljárás különösen alkalmas többkomponensű réteg növesztésére. YBCO rétegnövesztés leggyakoribb módszere.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s11. ábra Három, nagy felületen alkalmazható PLD növesztési technika: a.) excentrikus PLD b.) forgó-haladó PLD c.) lézer sugár pásztázó PLD

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s12. ábra A növesztett réteg minőségét javítja ha a target (a szupravezető anyagot emmitáló eszköz) imbolygó mozgást végez.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s13. ábra A szupravezető réteg kialakulása a szubsztrát réteg felületén.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s14. ábra Vékonyfilm gyártási profiljai a.) Φ100mm film növesztése Off-axis módszerrel b.) Φ50mm film növesztése T-R módszerrel c.) Φ150mm film növesztése pásztázó lézernyalábbal

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s15. ábra Szupravezető film gyártó PLD berendezés vázlatos képe:

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II s16. ábra A növesztett rétegek mikroszkopikus fényképe.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II Digitális technika szupravezető eszközökkel

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d1. ábra Az YBCO eszközök jellemzői: - kis ellenállás, - alacsony teljesítmény felvétel, nagy működési sebesség - igen nagy pontosság: feszültség standard, DAC, ADC - alacsony működési zaj

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d2. ábra A Josephson átmenet működésének magyarázata az alagúthatás segítségével. A képen a Cooper párok hullámfüggvénye látható.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d3. ábra A Josephson átmenet áram-feszültség karakterisztikája.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d4. ábra A Josephson átmenet a szupravezető digitális áramkörök alapvető építő eleme.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d5. ábra A digitális áramköri elemek alapkapcsolása: a.) az alapelem kapcsolási vázlata b.) a reteszelt logikai elem (latching logic) I-U hiszterézises görbéje c.) az RSFQ (rapid single flux quantum logic) logikai elem I-U görbéje d.) az RSFQ elem SFQ kimeneti jele és fázisugrása.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d6. ábra Niobium alapanyagú, LTS, alacsony hőmérsékletű szupravezetőből kialakított Josephson átmenet. A gát anyaga alumíniumoxid. SIS szerkezet

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d6. ábra HTS, magas hőmérsékletű szupravezetőből kialakított Josephson átmenetek. A gát anyaga normál állapotú fém. SNS szerkezet.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d7. ábra Edge S-N-S mikroszkopikus képe és áram- feszültség görbéje.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d8. ábra Josephson átmenet, edge S-N-S kialakításának technológiai lépései egy integrált áramkörben.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d9. ábra Az RFSQ áramkörök alapelemei: - Josephson transmission line JTL: jelátviteli egység - jelosztó JTL - egy egyszerű tároló egység

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d10. ábra Az RFSQ áramkörök alapelemei: - R-S flip-flop alapkapcsolása - R-S flip-flop alapkapcsolása SFQ/DC átalakítóval

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d11. ábra RFSQ elemi cella és a jelek időbeli sorrendje.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d12. ábra SFQ logikai bit energia tartalma.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d13. ábra Josephson – CMOS hibrid memória felépítése.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d14. ábra Egy RSFQ logikai kapu fizikai elrendezése az integrált áramkörben.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d15. ábra Nagy sebességű RSFQ áramkörökkel elért működési frekvenciák és gyártó cégük.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d16. ábra SQUID-Superconducting QUantum Interference Device- szupravezető kvantum interferencia berendezés működésének alapelve.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d17. ábra A SQUID kritikus áramának függése a mágneses tér indukciójától.

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d18. ábra A mágneses tér csatolása a SQUID érzékelőhöz

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d19. ábra Különböző orvosi műszerek érzékelési tartománya

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d20. ábra 151 csatornás magnetoencefalográf

Szupravezetők műszaki alkalmazásai II d21. ábra Magnetoencefalográf működés közben