Исследование нелинейности сверхпроводниковых пленок в быстропеременном электромагнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГБ ОД

- 2 ОПТ 19ПЗ

На правах рукописи

Шаферова Стэлла Юрьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОСТИ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ЩЕНОК В БЫСТРОПЕРЕМЕННОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

Специальность: 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете имеци В.И.Ульянова (Ленина)

Научные руководители -

доктор технических наук профессор Козырев А.Б. кандидат физико-математических неук доцент Самойлову Т.Б.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Мироненко И.Г. кандидат физико-математических наук нач.лаб. Розенбаум Л.Б.

Ведущая организация - Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе

Защита диссертации состоится " 1995 г.

в часов-^2. мин. на заседании диссертационного совета К 063.36.11 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией .можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан " А* " ¿¿¿^Щ^ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Соботковский Б.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ведущиеся в настоящее время интенсивные исследования свойств сверхпроводников и, в частности, нелинейных электродинамических эффектов в сверхпроводниках, представляют большой интерес как с точки зрения исследования фундаментальных аспектов явления сверхпроводимости, так и с точки зрения практических приложений. Низкие значения высокочастотного поверхностного сопротивления, возможность быстрого переключения из сверхпроводящего (з) в нормальное (н) состояние, малые потери на СВЧ и малая частотнонезависимая глубина проникновения поля делают сверхпроводниковые материалы чрезвычайно привлекательными для использования в СВЧ устройствах. Эффекты з-н переключения под действием транспортного тока повышенного уровня используются в СВЧ микроэлектронике для реализации быстродействующих устройств управления СВЧ сигналом (модуляторов, выключателей, фильтров-переключателей, фазовращателей). Наряду с токовым э-и переключением аналогичный эффект увеличения поверхностного сопротивления достигается под действием магнитного поля, нагрева, лазерного облучения, з-ы устройства могут найти применение 'Во входных цепях приемных устройств ВЧ-СВЧ радиоэлектроники в качестве устройств ограничения и защиты от повышенных уровней электромагнитных импульсов. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости позволило существенно повысить рабочую температуру таких устройств.

При определенных уровнях СВЧ мощности проявляется нелинейная зависимость поверхностного сопротивления сверхпроводников от уровня мощности, что приводит, в частности, к увеличению потерь и интермоду ляционным искажениям СВЧ сигнала в микрополосковых линиях передачи. Однако, нелинейное поведение пленок сверхпроводников макет ока-, заться полезным как-при реализации устройств управления (ограничителей, устройств защиты от электромагнитных помех повышенного уровня), *ак и давать определенные преимущества при создании нелинейных СВЧ приборов (детекторов и преобразователей частоты), которые могут быть использованы как компоненты криогешой интегральной схемы, созданной в едином технологическом цикле. Помимо практического применения исследование нелинейного поведения пленок сверхпроводников интересно с точки зрения изучения их фундаментальных свойств (в частности, оценки постоянных времени, характерных дня различных мо-

ханизмов, ответственных за нелинейное поведение,- определения характера и времени зарождения СВЧ вихрей и др.).

Практическая реализация устройств управления СВЧ сигналом, а также приборов, основанных на нелинейности поверхностного сопротивления пленок сверхпроводников, оценка их параметров и предельных возможностей связаны с решением ряда научных проблем.

1. Проявление нелинейности сверхпроводников на СВЧ зависит от целого ряда параметров: микроструктуры, рабочей температуры, топологии сверхлроводкиковых образцов, их состава и т.д. Поэтому важно выяснить, определяется ли нелинейное поведение фундаментальными -свойствами -сверхпроводников или привнесенными факторами (технологическим процессом получения, внешними условиями и т.д.). Ответ на этот вопрос позволяет определить перспективы для расширения динамического диапазона линейных сверхпроводниковых устройств и управления параметрами нелинейных сверхпроводшпсовых приборов при повышенном уровне СВЧ мощности. Поэтому требуются дальнейшие экспериментальные работы по исследованию электрофизических и структурных характеристик тонких пленок иън и ува2сиэо7_)( с целью дальнейшего определения их влияния на нелинейное поведение в СВЧ полях.

2. Постоянные времени, характеризующие различные механизмы, ответственные за нелинейное поведение пленок, являются основными параметрам!, определяющими быстродействие устройств управления, работающих на з-ы переключении, а также рабочий диапазон частот для нелинейных приборов. Имеющиеся в настоящее время данные по времени разрушения параметра порядка сверхпроводящих пленок недостаточны для оценки быстродействия элементов по з-м переключению или рабочей ■полосы частот преобразователя, если их нелинейное поведение не связано с однородной по объему сверхпроводника модуляцией параметра порядка. Исследование отклика пленок на короткие импульсы напряжения позволяет оценить время разрушения сверхпроводимости надкритическим током и идентифицировать ряд механизмов, приводящих к появлению резистивного состояния. Полученные в результате этих исследований импульсные вольт-амперные характеристики могут быть положены в основу анализа эффекта смешения.на сверхпроводниковых пленках.

3. Нелинейное поведение пленок сверхпроводников проявляется в .нелинейности поверхностного сопротивления, в генерации гармоник при воздействии монохроматичного СВЧ сигнала или сигналов комбинационных частот при одновременно« воздействии двух СВЧ сигналов (в част-

ности, в эффекте смешения). В настоящее время в литературе имеется ряд работ, посвященных эффекту смешения, но они, в основном, касаются смешения на межгранульных связях или специально приготовленных джозефсоновских переходах. Исследование эффекта смешения на -без-инерционной нелинейности поверхностного сопротивления отрезка линии только начинается. Поэтому исследование нелинейного поверхностного сопротивления пленок сверхпроводников в широком диапазоне изменений внешних параметров (температуры, магнитного поля, уровня СВЧ -мощности) позволяет выяснить механизмы, ответственные за происхождение в них безшерционной нелинейности, а также оценить пороговые уровни мощности, соответствующие началу нелинейного поведения, и динамический' диапазон проявления нелинейных эффектов.

4..Модели, описывающие процесс преобразования частот сверхпроводниковой пленкой при воздействии на нее двух СВЧ сигналов отсутствуют. Поэтому актуальной задачей является моделирование процесса преобразования частот на пленках сверхпроводников с целью его количественного описания и оценки предельных характеристик Оезинерцион-ного смесителя. Результаты моделирования позволяют выработать рекомендации по улучшению параметров смесителя на сверхпроводниковой пленке.

Целью работы являлось: исследование в статическом и импульсном режимах, а также на СВЧ тонких сверхпроводникових пленок ньн и УВа^аух,^ для определения их электрофизических, параметров и изучения физических процессов, происходящих в них при воздействии сигналов повышенного уровня; оценка быстродействия но э-м переключению под действием надкритичного тока,- оценка постоянных времени для рассмотренных механизмов, ответственных за нелинейное поведение пленок; определение порога нелинейности и диапазона уровней СВЧ мощности, в котором наблюдается нелинейное поведение пленок сверхпроводников для реализации устройств управления СВЧ сигналом и преобразователей частоты; разработка модели безынерционного резистив-ного смесителя на нелинейности поверхностного сопротивления сваря-проводйиковой пленки.

Научная новизна работа заключается в следувд^н-.

- на основе изучения отклика сверхпроводнрнсоы* пленок но быстрое импульсное воздействие предложено Фенсменсяогичеекое опмса-

нив резистивного участка импульсных вольт-амперных характеристик;

- реализован амплитудный модулятор СВЧ сигнала на . основе пленок ува2Сиэо7_х, работающий при т = 78 К и по своим параметрам конкурентноспособный с аналогичными устройствами на основе традиционной элементной базы,

- исследованы механизмы нелинейности тонких пленок сверхпроводников на СВЧ. Оценены и для ряда механизмов экспериментально подтверждены граничные частоты;

. - проведены эксперименты по безинерционному смешению частот на выоокоориентированных пленках ува2Си о7_х.-

- предложен сверхпроводниковый резистивный смеситель на основе безинерционной нелинейности поверхностного сопротивления пленки сверхпроводника, разработаны и испытаны макеты такого' смесителя,.- проведено моделирование резистивного сверхпроводникового

смесителя, оценены предельные характеристики смесителя.

Практическую ценность работы представляют:

- предложенная аппроксимация импульсной вольт-амперной характеристики, которая может быть положена в основу теоретического анализа эффекта смешения частот на безинерционной нелинейности поверхностного сопротивления тонких пленок сверхпроводников.- результаты исследования влияния СВЧ мощности' повышенного

уровня на транспортные и СВЧ свойства сверхпроводниковых пленок, позволяющие оценивать параметры СВЧ устройств управления сигналом и преобразователей частоты: токи и поля управления, пороговый уровень СВЧ мощности;

' - данные о граничных частотах для различных механизмов нелинейности, позволяющее определить диапазон частот проявления нелинейных эффектов,- реализованные макеты амплитудного модулятора СВЧ сигнала к смесителя частот, рекомендации конструкторско-технологическогс характера, выработанные в результате испытаний макетов,- разработанная модель безинерционного резистивного смесител? на основе пленок сверхпроводников, позволяющая оценить предельны* характеристики смесителя и пути-их совевшвнствования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Значительное различие ВАХ, измеренных на постоянном токе и

импульсном режиме, свидетельствует о необходимости использования для анализа быстродействующих нелинейных устройств на основе сверхпроводниковых пленок импульсных ВАХ. Разистивный участок импульсной ВАХ может быть аппроксимирован квадратичной функцией вида и = ± RAicn/Jc ? I)2.

2. На основе пленок высокотемпературных сверхпроводников возможна реализация быстродействующих управляющих и ограничительных устройств СВЧ, работающих на азотном уровне температур и обеспечивающих глубину модуляции СВЧ сигнала•порядка 20 дБ.

3. Создание безинерционных нелинейных устройств СВЧ на основе пленок NbN возможно до частот порядка 10* Гц, что подтверждается экспериментами по смешению на частотах порядка I ГГц и 9 ГГц и по влиянию СВЧ мощности на отклик пленок сверхпроводников по постоянному току.

4. Анализ эффекта смэшешя частот двух СВЧ сигналов на сверхпроводниковом элементе показал, что в режиме смешения со второй гармоникой сигнала гетеродина ковффициант преобразования монотонно меняется от величины близкой к нулю до -15 дБ при увеличении значений амплитуд тока гетеродина от критического до значений, соответствующих переходу сверхпроводникового элемента в нормальное состояние. .

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы' докладывались и обсуждались на;

- European Conference'on Applied Superconductivity, Gottingen, liar many. 1993.

- 23-d European Microwave Conference, Madrid, Spain, 1993.

- 48-ой научно-гамич. конференции, С.-Петербург, 1993.

- Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПГЭТУ в 1991 - 1995 гг.

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в шести печатных трудах, опубликованных в научных журналах и тезисах докладов на конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 161 наименование. Основная часть работы'изложена на 142 страницах машинописного текста. Работа содержит 96 рисунков и 3 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; выделен круг научных проблем, связанных с исследованием нелинейности поверхностного сопротивления сверхпроводников и практической реализацией устройств управления сигналом и преобразователей частоты СВЧ диапазона на основе пленок сверхпроводников; обоснована актуальность комплексных электрофизических, исследований сверхпроводниковых: пленок;- сформулирована цель работы и определены основные задачи исследований; сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В разд. 1.1 собраны данные по механизмам нелинейности в низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводниках при воздействии сигналов повышенного уровня. Рассмотрены некоторые модели, используемые для описания экспериментальных результатов.

В разд. 1.2 приведены обобщенные дэннно по зависимости поверхностного сопротивления от частоты, магнитного поля и уровня СВЧ мощности для пленок сверхпроводников с различной микроструктурой.-Показана сильная зависимость ВЧ-СВЧ свойств сверхпроводников от их структуры и подчеркнута необходимость всесторонних электрофизичес-■ них исследований пленок ВТСП с целью идентификации механизмов нелинейности. Выделены основные механизмы нелинейности, ответственные за нелинейность поверхностного сопротивления.

В разд. 1.3 сделан обзор резонансных и широкополосных ограничительных и переключающих устройств, принцип работы которых основан на переключении сверхпроводника из з- в я-состояше,- а также детекторов и преобразователей частоты, основанных на нолшойности сверхпроводников. Отмечено, что использование сверхпроводимости в СВЧ технике обеспечивает снижение потерь и шумов, улучшает дисперсионные характеристики, уменьшает габарита и вес СВЧ устройств,- увеличивает динамический диапазон. Показано, -что малое время Б-М переключения пленок сверхпроводников и возможность работы при азотном уровне температур (для ВТСП) позволяет рассматривать сворхпроводж-ковые материалы как перспективные для реализации быстродействующих управляющих и ограничительных устройств.

Во второй главе'представлены результаты комплексных исследова-

ний электрофизических свойств пленок иьы и ува2си3о7,х, , полученных методом магнетронного распыления. ■ Исследования включали .в себя' анализ структуры, критических параметров, транспортных и высокочастотных СВОЙСТВ пленок ПЬИ И УВа2Си307_х. ,

В разд. 2.1. рассмотрены статичзские параметры пленок и их зависимость от микроструктуры. Структурный анализ пленок выполнен с помощью электронной микроскопии, электрона- и рентгенографии, спектров комбинационного рассеяния света. Отмечено, что по< мере роста сверхпроводниковой пленки происходит образование слабых связей различной природы: слабые' связи на границах микроблоков макроблоков и гранул. Показано, что исследованные плеши УВа Сиэо до толщин порядка (0.3 - 0.4) мкм сохраняю? высокую степень ориентации и имеют минимальное количество примесей и дефектов в сравнении с более толстыми пленками, имеющими па поверхности слой гранулированной структуры. Для пленок Мьы наиболее • резкая зависимость сверхпроводящих свойств (тс, Дтс, 1С) наблюдается в области толщин а = (10 -н 50) нм. Поэтому, несмотря на возможность получения пленок нш с тс= 16 К с точки зрения СВЧ приложений целесообразно использовать пленки толщиной л=(№50)нм с т ~(6*12)К, обеспечивающие большое поверхностное сопротивление в м-состоянмт (порядка 100 Ом) и достаточно низкие значения поверхностного сопротивления в $-состоянш1 (порядка 0.1 Ом).

В разд. 2.2 описаны транспортные сврйетва пленон пья и гаа2Си3о . Исследованы механизмы, отгютственнкё за образование резистивного состояния пленок. Отмечено, что в гранулированных пленках льы и увагСиэо7_>1 критический ток связан с наличием слабых связей между гранулами. В внсокоориентированных пленках ува?Си.,о7 к критический ток определяется началом распаривания на краях пленки при достижении плотностью тока значения близкого к плотности тока распаривания j(w/2) ~ Ю" А/мг.

Раздел 2.3 посвгцбп экспериментальному исел-эдссеврю ВЧ и С-РЧ свойств пленок цш и УВэгСи о в Б и N состояниях. Наличия? поверхностного сопротивлэния рассчитывалась по измерению Собсг-г«?ниой добротности резонаторов с вшгатншмя в них исследу'-мш.м образцами. Есптсимости я от толщпта сопоставлены с результатами структурного ьнализа и транспортными свойствами пленок, показано, что толщиннч© зависимости Р., в ВЧ и СВЧ диапазонах кок для а-, тон н для с-орпетмроьатгонх пленок ува Си о имеют немонотонный

характер с. минимумом вблизи толщин 0.3 - 0.4 мкм, что хорошо согласуется с данными структурного анализа. Сделан вывод о том, что с точки зрения минимизации ВЧ-СВЧ потерь и достижения наивысшего коммутационного отношения по поверхностному сопротивлению при Б-Ы переключении наиболее перспективны пленки УВа2Сиэо7_х толщиной (0.3 - 0.4) мкм. Определены значения первого критического поля на краю пленки нс1, достижение которого приводит к нелинейному отклику пленки на СВЧ за счет проникновения собственных вихрей магнитного поля СВЧ волны: для пленок мьм при т = 4.2 К нС1 = 50 + 80 Э и для пленок ува^Сч307_)( при т = 78 К нС1 = 35 + 85 Э.

Третья глава посвящена исследованию нелинейного поведения пленок м и увагсиэ07_х при импульсном воздействии. В разд. 3.1 описана методика и результаты исследования э-н переключения пленок сверхпроводников с Использованием импульсов наносекундной длительности.

В разд. 3.2.1 анализируется динамика процесса разрушения сверхпроводимости. Показано, что значение сопротивления пленки в резистивном состоянии, инициированном импульсным током длительностью 0.3 не, определяется величиной надкритачности. Увеличение длительности импульсного воздействия приводит к росту сопротивления пленки ува2Сиао7_х за счет тепловых процессов. Для пленок ыъм, характеризующихся температурным коэффициентом сопротивления ^ I, зависимость . сопротивления пленки в резистивном состоянии ■ от длительности импульса отсутствовала. Приведены данные по длительности з-и переключения. Продемонстрировано, что переключение широких (V >> х) пленок пш и ува^с^о.,^ из сверхпроводящего в резис-тивное или нормальнопроводящее состояние при воздействии сверхкритического импульсного тока происходит за время < 3-Ю"1° с.

В разд. 3.2.2 приведены динамические ВАХ пленок мьм и ува си3о . Дано их аналитическое описание. Отмечено, что инерционность тепловых процессов в резистивном состоянии приводит к значительному различию ВАХ, измеренных на постоянном токе й в импульсном режиме. Предложено для анализа быстродействующих нелинейных устройств на основе сверхпроводниковых пленок использовать импульсные ВАХ.

В разд. 3.2.3 рассмотрены механизмы, ответственные за образование резистивного состояния при воздействии сверхкритических

гоков. На основе приведенных в литературе значений времени релаксации параметра порядка оценены граничные частоты проявления нелинейных эффектов. На основе анализа большого количества экспериментов показано, что основной механизм разрушения сверхпроводимости, обеспечивающий быстрое э-н .переключение широкой пленки, обусловлен началом распаривания на ее краях и последующим движением областей распаривания к центру пленки.

Четвертая глава посвящена исследованию нелинейного отклика пленок яш и ува2си3о7_>( на повышенный уровень СВЧ мощности. Пред-, ставлены результаты испытаний амплитудного модулятора сантиметрового диапазона, проанализированы процессы разрушения сверхпроводящего состояния в пленках мьи и гвагсц307_х под влиянием СВч . излучений различной мощности, выделены основные механизмы СВЧ потерь, определяющие рабочие характеристики рассматриваемых устройств.

В разд. 4.1 на примере СВЧ выключателя-модулятора проиллюстрирована возможность практического использования эффекта быстрого токового э-н переключения сверхпроводниковых пленок. Показана возможность реализации на основе пленок ВТСП быстродействующих СВЧ управляющих и ограничительных устройств, работающих на азотном уровне температур и обеспечивающих глубину модуляции > 20 дБ. Отмечено,, что испытанные модуляторы показали отсутствие деградации характеристик в течение длительного времени испытаний (6 • месяцев) при многократном термоциклировании.

В разд. 4.2.1 приведены результаты экспериментальных исследований ослабления СВЧ мощности, вносимого сверхпроводниковой пленкой пш и увагСи9о7_х. Проведен анализ полученных результатов с точки зрения возможности проявления на СВЧ механизмов, ответственных за образование резистивного состояния. При разных уровнях мощности импульсного СВЧ сигнала ^ = 9 ГГц) исследована характеристика передачи отрезка КПЛ, «формированной на основе'тонких пленок м и УВааси3о_,_ч (а = 0.3 мкм). Топологические размеры ■ (зазор 3=40г50мкм, ширина центральной полоски V/ = 80 100 мкм.) обеспечивали волновое сопротивление линии в э-состоянии 10 = 49 - 50 Ом. Длина активной части 101 ц = .7 мм. Испытания проводились при воздействии на отрезок КПЛ СВЧ импульсов длительностью 0.8 мкс, фронтом 50 не, скважнос.тью 100, несущей частотой 7.5 * II ГГц, мощностью от ГО'1 до 10* Вт. Для исследования динамики Б-И переключения * линии

в течение прохождения по КЛ СБЧ импульса по центральному проводнику был пропущен небольшой постоянный ток I = I мА (I « 1с). Получены зависимости СВЧ потерь в КЛ при различных температурах от мощности СВЧ импульса и изменение затухания в течение импульса. Показано, что порог нелинейности (а значит и порог срабатывания з-и устройств) может варьироваться в пределе шести порядков по мощности в зависимости от микроструктуры пленки (от рс ~ 1СГа Вт для гранулированных структур до рс ~ I Вт для высокоориентированшх структур). Рассмотрены механизмы нелинейности при увеличении входной СВЧ мощности: увеличение при Т < Тс вследствие нагрева, пленки СВЧ мощностью, нелинейный вклад в СВЧ потери слабых джозефсоновских связей, зарождение и движение абрикосовских вихрей в магнитном поле СВЧ волны. Постоянная времени для всех рассмотренных механизмов нелинейности (кроме джозефсоновского) в пленке ыьн оценена как т(4.2 К) ~ 1СГ10 с. Эта оценка подтверждена следующими экспериментальными фактами.• а) для КПЛ на основе пленки ыъи на 1 = 9 ГГц заметное увеличение затухания наблюдалось в интервале СВЧ мощностей, в котором отсутствовал резистивный отклик на малый постоянный ток; б) зависимость постоянного критического тока от уровня СВЧ мощности соответствует, высокочастотному пределу, при котором свойства сверхпроводниковой пленки не успевают адиабатически следовать за СВЧ сигналом.

В разд. 4.2.2 приведены результаты экспериментальных исследований аффекта смешения частот. Эффект смешения . частот экспериментально- наблюдался нъ сверхпроводаикових пленках ыьи и увагСиао в виде мостиков и отрезков КПЛ при частоте сигнала гетеродина ~1ГГц. Сигнал промежуточной частоты (г = 2{1_0 - { ) регистрировался, в диапазоне мощности, соответствующем нолинейной зависимости вносимых сверхпроводниковым элементом потерь от мощности гетеродина. Отмечено, что тепловые эффекты при образовании нормальных доменов повышенной температуры резко снижают коэффициент преобразования.

Пятая глава содержит материал но моделированию резистивного евврхпроводникового смесителя. Моделирование резистивного сверхпроводникового смесителя проводилось на базе методики, обычно используемой при анализе диодных резистивних смесителей. В основу анализа положена импульсная ВАХ, полученная на основа обработки данных по экспериментальным импульсным ВАХ пленок СИ.

В разд. 5.1 приведены данные по расчетам коэффициента преобразования -смесителя в различных режимах работы. Получены выражения для зависимости коэффициента преобразования'от амплитуды тока гетеродина и тока смещения. Анализ работы смесителя в режиме смешения со второй гармоникой сигнала гетеродина показал, что .максимально возможный коэффициент преобразования может быть получрн при ампли- ' тудах сигнала гетеродина близкого к критическому.. Однако проблемы согласования смесителя на входе и выходе приводят к необходимости использования на"практике тока гетеродина больше критического, что приводит к монотонному снижению коэффициента преобразования вплоть до -15 дБ при увеличении тока гетеродина. Использование режима со смещением позволяет достичь большего-значения коэффициента преобразования при том же значении тока гетеродина.

В разд, 5.2 проведен' анализ предельных шумовых характеристик сверхпроводникового смесителя. Получены выражения для зависимости коэффициента шума от амплитуда тока гетеродина и тока смещения.

В разд. 5.3 проведено сравнение модельных расчетных данных с экспериментальными данными по коэффициенту преобразования. Сравнение результатов показало' хорошее соответствие в пределах погрешности для используемых в эксперимент токов гетеродина.

В заключении кратко изложены основные результаты работы: 1. В статическом режиме исследованы . пленки ыьы и пленки УВа2Сиэо7;м, полученные методом магнетронного распыления. Показано, ЧТО:

- для реализации устройств, использующих эффект резкого увеличения сопротивления плевки при переходе из э- в л-состояние, целесообразно использовать пленки г*ьм толщиной а (10 50) нм, обеспечивающие большое поверхностное сопротивление в л-состоянии (порядка 100 Ом) и достаточно низкие значения поверхностного сопротивления в з-состоянии (порядка 0.1 Ом).

- пленки ува2Сиэо7.;( до толщин а порядка (0.3 + 0.4) мкм характеризуются высокой степенью кристаллографической ориентации, дальнейшее увеличение толщины пленки приводит к формированию на ее' поверхности гранулированного слоя.

2. Измерены динамические характеристики пленок ш) и УВагсиэ07 >; при воздействии импульсов напряжения наносекундой длительности. Показано, что:

- переключение широких (и » х) пленок ньн и ува2сиэо?_х из сверхпроводящего- в резистивноа или нормалънопроводящее состояние при воздействии сверхкритического импульсного тока, зависящее от амплитуды воздействующего ипульса и геометрических размеров иленки, происходит за время < 3-Ю"10 с и обусловлено быстрыми процессами кинетического распаривания.

- резистивный участок импульсной ВАХ может быть аппроксимирован квадратичной функцией вида и - ± к I < I/1 + I)2.

3. Проведены измерения активной части поверхностного импеданса н^ пленок мьп и УВа2сиэо7_х. Показано, что:

- с точки зрения ВЧ-СВЧ потерь- в пленках ува2Сиэо?_х оптимальной является толщина пленки (0.3 +0.4) мкм.

- результаты измерений поверхностного сопротивления иллюстрируют возможность достижения коммутационного отношения н^/й® в области азотных температур в' верхней части СВЧ диапазона ((=60ГГц) достигает ~ Ю2, а в нижней (г = 0,1 ГГц) ~ 10*. Для пленок лш при т = 4,2 К коммутационное отношение составляет ~ 10а для г=0,1 ГГц и порядка 10* для г = 60 ГГц.

4. Разработан и испытан лабораторный макет- амплитудного модулятора СВЧ сигналов.на-основе пленок ВТСП. Параметры модулятора: Быстродействие, с ' 3-Ю"10 Рабочая температура, К 78

5. Исследовано нелинейное поведение пленок ыьи и увагсиэо7_х при воздействии импульсного СВЧ сигнала (г • == 9 ГТц)' повышенного уровня. Показано, что:

- на зависимость затухания ь сигнала СВЧ в отрезке КПЛ от уровня СВЧ мощности р существенно влияет микроструктура пленки. Для гранулированных пленок ува2сиао7 характерен низкий порог нелинейности (рс ~ 10"° Вт). Для высокоориентировашшх пленок ува2Сиэо7_х пороговый уровень СВЧ мощности, соответствующий началу, нелинейной

зависимости ь(р), составлял рс ~ I Вт.

- для КПЛ на основе пленки ыьы заметное увеличение затухания

наблюдалось в интервале СВЧ мощностей, в котором отсутствовал отклик на малый постоянный ток. Этот результат соответствует оценкам постоянной времени для всех рассмотренных механизмов нелинейности (кроме джозефсоновсксго) в пленке ыьм как т(4.2 К) ~ 10"10 с.

Кроме того экспериментальная зависимость постоянного критического

тока от уровня СВЧ мощности соответствует высокочастотному пределу, при котором свойства сверхпроводниковой пленки не успевают адиабатически следовать за СВЧ сигналом.

6. На основе модели безинерционного • резистивного смесителя проанализированы параметры смесителя с нелинейным . элементом из пленки сверхпроводника. Показано, что:

- в режиме смешения со второй гармоникой сигнала гетеродина для смесителя на нелинейном элементе с квадратичной ВАХ возможно достижение коэффициента преобразования близкого к единице, при мощности гетеродина, близкой к критической.

- экспериментальные значения коэффициента преобразования, приведенного к элементу, хорошо сдвпадают с результатами. моделиро-" вания, так что предложенная модель смесителя применима как для ИТСП, так и'для ВТСП пленок по крайней мере для частот порядка 1ГГц. Анализ постоянной времени нелинейных процессов в пленках BTCII позволяет предположить справедливость модели для ВТСП вплоть до ICO ГГц.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1)' Самойлова Т.Б., Шаферова С.Ю. / Пленки увз2 Си 0„_ В коммутирующих устройствах'СВЧ // Известия ЛЗТИ. -.1991. - Вкп.43?. -С.50-54.'

2) Козырев А.В., Самойлова Т.В., Шаферова С.Ю. / Быстрое токовое s-n переключение пленок ува2сиэо7_х и его применение для амплитудной модуляции СВЧ сигнала // СФХТ. - 1993. - Т.6, % 4. -С.823-837. . .

3) Non-linear surface resistance and frequency mixing in superconducting films / Kozyrev А.В., Samoilova T.B., Dudin K.A.. 3haferova S.Yu. // Supercond.Sci.Technol. - 1994. - V.7. - P.777-782.

4) Самойлова Т.В.', Шаферова С.Ю. / Смешение частот на основе нелинейности поверхностного импеданса сверхпроводящих пленок пъи // 48-я Научно-техническая конференция СП НТО F3C им. А.С.Попова. -П.Петербург. - 1993. - Апрель. - С.7-8.

5) Mechanisms of fast current switching of superconducting films and i ta at microwaves / Kozyrev А.В., Samoilova T.B.. Sbafsrcva S.Yu., Dudin K.A. V/ Proc. of European Conf. on Applied Superconduct ivity ( EUCAS'93 ). - Gottingen (Germany). - 1Э93.

October.

6) Kozyrev A.B.. Samoilova T.B., Shaferova S.Ya. / Nonlinear behavior of NbK and YBaCuO superconductive films at microwaves // Proc. of 23-d Europ. Microwave Conf. - Madrid (Spain) - 1993. l\ 188-1B9

Шдп. к печ. 7.07.95 Формат 60 х 84 I/I6. Офсетная печать. Печ. л. 1.0; уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз. Зак. Ji 122 Бесплатно.

Ротапринт СЯГЭТУ 19?3?6, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попона,5