Низькотемпературний резистивний термометр на основі високотемпературного надпровідника

Реферат: Низькотемпературний резистивний термометр на основі високотемпературного надпровідника, що містить тришарову структуру (тунельний перехід), утворену двома металевими плівками нормальною і надпровідною, між якими знаходиться надтонкий шар ізолятора товщиною близько двох нанометрів, причому надпровідна плівка є високотемпературним надпровідником з d-хвильовою симетрією параметра порядку, орієнтованим так, що нормаль до шарів, які формують тунельний перехід, утворює кут 45° з кристалографічними осями а і b в площині мідь-кисень. UA 99653 U (12) UA 99653 U UA 99653 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і призначена для створення низькотемпературного резистивного термометра нового типу із розширеним діапазоном вимірюваних температур і можливістю роботи при нульовому значенні постійної напруги зміщення. Прецизійні вимірювання температури навколишнього середовища Т в широкому діапазоні є актуальною проблемою для різних галузей наукових знань і практичної діяльності, зокрема для матеріалознавства, астрофізичних досліджень тощо. Відомо низькотемпературний термометр, який складається з струмопровідної плівки (сенсора), що розташована на поверхні непровідної підкладки, на якій знаходяться два металевих електроди, з'єднані струмопровідними дротами з вимірювальним пристроєм для визначення опору R сенсорної плівки (US 5,363,084, Film resistors having trimmable electrodes). Недоліком відомого низькотемпературного термометра є залежність електричного опору сенсорної плівки від температури навколишнього середовища. Важливим параметром, що характеризує ефективність роботи будь-якого термометра, є його чутливість а (а = (dR/dT)/(R/T)). Основним недоліком більшості запропонованих на теперішній час низькотемпературних термометрів є зменшення їх робочої області з ростом параметра а. Найбільш близьким аналогом пристрою, що заявляється, є низькотемпературний резистивний термометр (A. Maldonado, Н. Suderow, S. Vieira. Thermometry with a nearly temperature independent sensitivity using a normal-superconducting tunnel diode biased close to the superconducting gap // Cryogenics. - 2010. - Vol. 50. - Р. 397-400), що містить тришарову структуру (тунельний перехід), утворену двома металевими плівками - нормальною і надпровідною, між якими знаходиться надтонкий шар ізолятора, товщиною близько двох нанометрів. Зарядовий транспорт через ізолюючий прошарок нанорозмірної товщини здійснюється шляхом квантовомеханічного тунелювання електронів крізь потенційний бар'єр, що утворюється зазначеним діелектричним прошарком. Відомо, що у енергетичному спектрі типового надпровідника з s-хвильовою симетрією параметра порядку є ділянка заборонених енергій (так звана енергетична щілина Δ, величина якої близько одного міліелектронвольту в традиційних надпровідних матеріалах). При енергіях Е  Δ електронна щільність станів різко нелінійна, тому температурна залежність опору R тунельного контакту нормальний метал - ізолятор - надпровідник виявляється дуже істотною. Якщо до тунельного контакту прикласти постійну напругу V, тоді при V=1,01 Δ/е чутливість такого резистивного термометра а виявляється слабко залежною від температури в області температур від 0,03 Тс до 0,2 Тс (Тс - критична температура надпровідного переходу) і дорівнює приблизно 0,8. Зауважимо, що в звичайних надпровідниках, які належать до s-типу електронного спаровування, критична температура Тс обмежена величиною 20 К і, отже, діапазон температурних вимірювань становить приблизно від 0,6 до 4 К. Недоліками відомого пристрою є: малий діапазон вимірюваних температур, що обумовлено обмеженнями на величину критичної температури надпровідного переходу в звичайних надпровідниках; необхідність мати додаткове джерело напруги постійного зміщення V на тунельному переході, величина якої через високу чутливість тунельного опору до значення V має бути постійно фіксованою з точністю менше одного відсотка. В основу корисної моделі поставлена задача розробити низькотемпературний резистивний термометр на основі високотемпературного надпровідника, в якому шляхом використання високотемпературного надпровідника з d-хвильовою симетрією параметра порядку забезпечується істотне розширення діапазону вимірюваних температур і перехід від кінцевої величини напруги зміщення до нульової, завдяки чому немає необхідності у додатковому джерелі напруги постійного зміщення. Поставлена задача вирішується тим, що в низькотемпературному резистивному термометрі на основі високотемпературного надпровідника, що містить тришарову структуру (тунельний перехід), утворену двома металевими плівками - нормальною і надпровідною, між якими знаходиться надтонкий шар ізолятора товщиною близько двох нанометрів, згідно з корисною моделлю, надпровідна плівка є високотемпературним надпровідником з d-хвильовою симетрією параметра порядку, орієнтованим так, що нормаль до шарів, які формують тунельний перехід, утворює кут 45° з кристалографічними осями а і b в площині мідь-кисень. Корисна модель пояснюється кресленням, де наведено залежність чутливості пристрою, що заявляється, від температури навколишнього середовища. Використання високотемпературного надпровідника з J-хвильовою симетрією параметра порядку обумовлено тим, що у таких матеріалах залежність параметра порядку від кута в кристалографічній площині мідь-кисень має d-хвильовий характер, внаслідок чого максимальна 1 UA 99653 U 5 10 15 провідність досягається при такій орієнтації плівки високотемпературного надпровідника, коли нормаль до площини тунельного переходу утворює кут 45° з кристалографічними осями а і b в площині мідь-кисень (див. Belogolovskii M. et al. Phase-coherent charge transport in superconducting heterocontacts // Physical Review B, 1999. - Vol. 59. - Р. 9617-9626). Згідно з розрахунками авторів пристрою, що заявляється, така орієнтація плівки високотемпературного надпровідника забезпечує максимальну чутливість опору тунельного переходу нормальний метал - ізолятор - надпровідник до температури навколишнього середовища. При цьому величини параметра а, що відповідають максимальним значенням для звичайних надпровідників, досягаються при нульовому значенні напруги постійного зміщення V, що дозволяє відмовитися від додаткового джерела постійної напруги. Діапазон температур, в якому чутливість опору тунельного контакту до температури навколишнього середовища слабо залежить від останньої, виявляється тим же, що і в звичайних надпровідниках, тобто робочі температури знаходяться в інтервалі від 0,03 Тс до 0,2 Тс (див. креслення). Оскільки у високотемпературних надпровідників критична температура досягає величин порядку 100 К, то можна істотно розширити область робочих температур від 2 К до 20 К. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Низькотемпературний резистивний термометр на основі високотемпературного надпровідника, що містить тришарову структуру (тунельний перехід), утворену двома металевими плівками нормальною і надпровідною, між якими знаходиться надтонкий шар ізолятора товщиною близько двох нанометрів, який відрізняється тим, що надпровідна плівка є високотемпературним надпровідником з d-хвильовою симетрією параметра порядку, орієнтованим так, що нормаль до шарів, які формують тунельний перехід, утворює кут 45° з кристалографічними осями а і b в площині мідь-кисень. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2