Генератор надвисокочастотних коливань

Корисна модель належить до галузі надпровідникової надвисокочастотної електроніки та радіотехніки, зокрема, пристроїв з переходом Джозефсона, і найбільш ефективно може бути використаний при виробництві генераторів надвисокочастотних коливань. Відомі пристрої для отримання надвисокочастотних коливань, до складу яких належить перехід Джозефсона типу надпровідник - ізолюючий прошарок манометрових розмірів - надпровідник, що з'єднаний з джерелом струму зміщення [див. кн. С.Ю. Ларкин «Измерение частоты монохроматического СВЧ поля на основе нестационарного эффекта Дзозефсона», Киев, Наукова думка, 1999р. с. 67-227]. Основна вимога, яка висувається до джозефсонівських переходів, які входять в склад подібних генераторів надвисоких частот, - це високі значення добутку IcRN (Ic - критичний струм при нульовій температурі, a RN - опір переходу в нормальному стані), оскільки характерна джозефсонівська частота дорівнює fc=2eVc/h, де характерна напруга Vc=IcRN пропорційна значенню надпровідникової щілини D на внутрішній поверхні електродів. Одержання переходів Джозефсона базується, як правило, на так званій ніобієвій технології: плівка ніобію товщиною біля 300нм осаджується на підкладку (в основному, на добре відполірований сапфір), а потім на неї осаджується тонкий шар алюмінію з товщиною 5-10нм. Після цього плівка алюмінію окислюється для формування тонкого діелектричного шару АlOx з високим потенціальним бар'єром, а зверху напилюється ще один надпровідниковий шар з ніобію. Таким чином, джозефсонівський контакт складається з двох електродів, серед яких нижня плівка є епітаксіальною, в той час як верхня полікристалічна. Проблема існуючої те хнології в створенні переходів Джозефсона для генераторів надвисокочастотних коливань полягає в утворенні шарів оксиду ніобію на поверхні полікристалічної плівки Nb: остання покривається тонкими шарами різних оксидів NbxOy загальною товщиною біля 5нм, що призводить до зменшення надпровідного параметру порядку D на внутрішній поверхні надпровідникового електроду, внаслідок чого зменшується значення характеристичної джозефсонівської частоти fс, а, отже, і всіх інших переваг джозефсонівських переходів порівняно з іншими приладами, які використовуються у високошвидкісній електроніці. Недоліком такого генератору є обмежений діапазон високих частот електромагнітного випромінювання, що генерується. Найближчим за технічною суттю, до генератору надвисокочастотних коливань, що заявляється, є пристрій з переходом Джозефсона [див. патент US №6818918, МКВ HO1L39/22, опубл. 16.11.2004р.]. Пристрій містить джерело струму, перший і другий надпровідні шари, між якими розміщений ізолюючий прошарок, причому джерело струму з'єднане із першим та другим надпровідними шарами. Між ізолюючим шаром та першим і другим надпровідними шарами створений бар'єр із суміші надпровідного та нормального матеріалів, причому концентрація першого з них відмінна від нульової на границі між першим та другим надпровідними шарами. Недоліком вищезазначеного пристрою з переходом Джозефсона є обмежений діапазон високих частот електромагнітного випромінювання, що генерується. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення конструкції генератору надвисокочастотних коливань з переходом Джозефсона, який мав би більш широкий діапазон високих частот електромагнітного випромінювання, що генерується. Цей технічний результат досягається за рахунок того, що у генераторі надвисокочастотних коливань, який містить з'єднаний із джерелом струму зміщення джозефсонівський перехід, що містить перший і другий надпровідні шари та ізолюючий прошарок, згідно корисної моделі, хоча б один з надпровідних шарів виконано з надпровідного додекаборіду цирконію. Завдяки нанесенню на надпровідні шари додекаборіду цирконію процес випромінювання джозефсонівською гетероструктурою буде відбуватися наступним чином. У нижньому та вер хньому надпровідних шарах електрони провідності конденсуються в пари з протилежним імпульсом і спином. Енергія конденсації Е визначає різницю між енергіями основного стану у нормальному та надпровідниковому металах. Енергія Е в шарах, що утворюють джозефсонівський контакт, звичайно залежить від координати, маючи найбільше значення в глибині шару і найменше на його поверхні. Особливість ZrB12 полягає в тому, що на відміну від усіх відомих досі матеріалів енергія Е на поверхні даного надпровідника більше відповідної величини всередині додекаборіду цирконію. Додана до джозефсонівського переходу напруга V зміщує енергії конденсації на поверхнях верхнього і нижнього шарів, що примикають до ізольованого прошарку, Е1 та Е2, відповідно, на величину 2eV, тобто, E1-E2=2e V. Електронна пара тунелює квантовомеханічним чином із одного електроду в другий, та при цьому, знижує свою енергію на 2eV. Оскільки загальна енергія системи повинна зберігатися, то такий процес супроводжується випромінюванням фотону з частотою f, що визначається співвідношенням hf=2eV=E1-E2, де h - постійна Планка. Якщо значення Е1 та Е2 подавлені у порівнянні з об'ємними величинами, як це має місце у випадку ніобію або високотемпературних надпровідникових металооксидів, то, відповідно, падає й частота електромагнітного випромінювання. В тому випадку, коли, хоча б, один з електродів виконаний з додекаборіду цирконію, різниця Е1Е2 зростає і, значить, частота, що випромінюється, росте. Сутність корисної моделі пояснюється кресленнями, де: на Фіг.1 - представлена схема генератора надвисокочастотних коливань; на Фіг.2 - представлена вольт-амперна характеристика контакту, створеного інжектором із золота та монокристалом додекаборіду цирконію при температурі 4,2К. Генератор надвисокочастотних коливань з переходом Джозефсона, що заявляється, (Фіг.1) містить перший надпровідний шар 1, ізолюючий шар 2, другий надпровідний шар 3, джерело струму зміщення 4, яке з'єднане з першим та другим надпровідними шарами, при цьому, хоча б один з надпровідних шарів виконано з надпровідного додекаборіду цирконію. Генератор надвисокочастотних коливань працює наступним чином: Джерело струму 4 подає електричну напругу на джозефсонівський перехід, який виступає в ролі конвертора постійного струму у електромагнітне надвисокочастотне випромінювання. Останнє далі спрямовується у потрібному напрямку за допомогою стандартного хвилеводного уста ткування. При використанні в якості джозефсонівського переходу для НВЧ генератору переходу з додекаборідом цирконію ZrB12 з надпровідною критичною температурою Тс=6,03К в якості щонайменше одного надпровідного шару енергія конденсації електронів Е, а також надпровідний параметр порядку D не зменшуються, а, навпаки, збільшуються на поверхні. За допомогою скануючого тунельного мікроскопу при температурі 4,2К були виміряні вольт-амперні характеристики контакту, утвореного монокристалом додекаборіду цирконію та інжектором. Перша похідна від типової вольт-амперної характеристики такого контакту зображена на Фіг.2 суцільною лінією, у той час, як пунктирна крива - це теоретична залежність. Положення піку в першій похідній дає значення параметру порядку при 4,2К, яке було рівним 0,97меВ. Беручи до уваги температурну залежність параметру порядку D, визначаємо, що при нульовій температурі T=0 його поверхневе значення дорівнює D(T=0)=D0=1,22меВ. Крім того, виміряли об'ємні магнітні властивості цього матеріалу, а саме, критичне магнітне поле Н с(T) як функцію температури Т і використали рівняння: Tc é dHc (T )ù D0 = - kB Tc Hc (0) ê dT ú T =Tc ë û , де: D0 - параметр порядку при нульовій температурі; kB - стала Больцмана; Тс - критична температура надпровідного переходу; Нс(0) - критичне магнітне поле при нульовій температурі; dHc(T)/dT - температурно залежна похідна критичного магнітного поля по температурі; Т - температура. Визначене таким чином об'ємне значення параметру порядку при нульовій температурі становить 0,92меВ. Похибка у поверхневому значенні D0 (за нашими оцінками) становить не більше ніж 5 процентів, похибка у відповідній об'ємній величині - не більше ніж 10 процентів. Одержана експериментально різниця між двома величинами перевищує максимальну похибку і свідчить про те, що ми дійсно маємо справу з сильно збільшеною на поверхні надпровідністю в ZrB12. Генератор надвисокочастотний коливань, що заявляється, може знайти широке застосування в галузі надпровідникової НВЧ електроніки та радіотехніки, зокрема, пристроїв з переходом Джозефсона, і найбільш ефективно може бути використаний при виробництві генераторів надвисокочастотних коливань.