Szupravezetők műszaki alkalmazásai II
Download
Report
Transcript Szupravezetők műszaki alkalmazásai II
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
o
s2. ábra
Első generációs vékonyfilm
szerkezetű HTS /YBCO
bevonatú/ szalag gyártása:
- Extrudálással és hengerléssel kialakítják a vezeték
hordozó szalagját
- A fenti műveletek során
átalakult kristályszerkezetet hőkezeléssel újrakristályosítják a kívánt
szerkezetre. /felső ábra/
- Oxidréteget hoznak létre a
flexibilis hordozórétegen
/alsó ábra/
Szupravezetők műszaki alkalmazásai II
o
s3. ábra
Első generációs vékonyfilm
szerkezetű HTS szalag
gyártása:
- a szupravezető alapanyag
felvitele a hordozóra /felső
ábra/
- Hőkezeléssel a kívánt
kristályszerkezet kialakítása valamint az oxidációs folyamat végigvitele. /alsó ábra/
Szupravezetők műszaki alkalmazásai II
o
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 elgőzölögtetése 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 frekvenciával 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 Deviceszupravezető 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