Исследование ВЧ-СВЧ свойств пленок высокотемпературных сверхпроводников с целью реализации устройств управления и ограничения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет имени-В.И.Ульянова (Ленина)

гп

.... --.„I.-)

На правах рукописи

Солдвтенков Олег Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЧ-СВЧ СВОЙСТВ ПЛЕНОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ С ЦЕЛЬЮ РЕАЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ И ОГРАНИЧЕНИЯ

Специальность: 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Электротехническом-Университете имени В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Козырев А.Б. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Соколов -А.И. кандидат физико-математических наук, нач.лаб. Розенбаум Л.Б.

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

Защита диссертации состоится " 19эз г.

в /-5" часов 30 мши на заседании специализированного 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 " "М " НОА§р\ 1993 г.

Учений секретарь специализированного соната

Собогковскнй Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛБОТН

Актуальность работы. Ведущиеся в настоящее время интенсивны? исследования свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) представляют большой интерес как с точки зрения физики сверхпроводимости, так и ее приложений. Изучение электрофизических свойств ВГСП материалов позволяет получать информацию об их фундаментальных и высокочастотных свойствах, улучшать сверхпроводящие характеристики и ускорять техническое применение сверхпроводников. Исследования СВЧ свойств' ВТСП важны не только для научных целей, т.к. углубляют понимание механизмов СВЧ диссипации, но и для практического применения сверхпроводников в СВЧ технике, т.к. ряд свойств ВТСП, я именно: низкие значения высокочастотного поверхностного сопротивления й , возможность переключения из сверхпроводящего (8) в нормальное (Ы) состояние и малая частотнонезависимая глубина проникновения поля х, делают эти материалы чрезвычайно привлекательными для использования в СВЧ устройствах. Перспективность реализации управляющих и ограничительных (защитных) СВЧ устройств, работающих на принципе Б-Ы переключения- сверхпроводника, определяется малыми СВЧ диссипативными потерями и высоким быстродействием по Б-Ы переключению. Указанные свойства делают устройства управления и ограничения на основе ВТСП материалов конкурентоспособными с аналогичными по функциональному назначению полупроводниковыми элементами.

Практическая реализация управляющих и ограничительных СВЧ устройств на основе ВТСП пленок, оценка их параметров и' продольных возможностей связаны с решением ряда научных проблем.

1. Комплексное исследование электрофизических и электродинамических свойств ВТСП пленок в Б и N состояниях в ВЧ-СВЧ диапазонах, включая их структурный и элементный анализ-.

Создание сверхпроводниковых СВЧ устройств делает необходимым выявление зависимости транспортных и высокочастотных свойств пленок ВГСП от их толщины, определение связи критических параметров ВТСП и их ВЧ-СВЧ свойств, сопоставление результатов анализа структура пленок с их сверхпроводящими характеристиками.

2. Исследование влияния магнитного поля на ВЧ-СВЧ поверхностный импеданс и на транспортные свойства БТСП пленок.

В практике применения сверхпроЕОднЕковых материалов гк-обхогл'/о учитывать влияние на их. свойства как фоновых магнитных полой, так

- г -

магнитных полей, непосредственно определяющих работу данного устройства, например, полей управления. Исследование зависимости от магнитного поля ВЧ-СВЧ потерь в пленках ВТСП разной толщины, отличающихся качеством структуры, позволяет вйявить механизмы разрушения сверхпроводимости в высокоориентированных и гранулированных структурах и определить их высокочастотные свойства в магнитных полях.

3. Модельные описания свойств ВТСП материалов в ВЧ-СВЧ диапазонах, в том числе - в магнитных полях.

Модельные представления, дающие количественное описание ВЧ-СВЧ свойств ВТСП пленок, позволяют идентифицировать основные механизмы потерь в изучаемых материалах, оценить уровни ВЧ-СВЧ потерь в высокоориентированных и гранулированных пленках, а также в пленках сложной структуры, состоящих из высокоориентированного и гранулированного слоев. Моделирование ВЧ-СВЧ свойств сверхпроводников Ь маг-ньдшх полях и результаты экспериментальных исследований выявляют уровень высокочастотного магнитнозависимого остаточного сопротивления.

4. Исследование в СВЧ диапазоне устройств Б-Ы управления и ограничения на основе пленок ВТСП и формулировка требований к параметрам сверхпроводниковых пленок. •

Для определения возможных применений СВЧ устройств 5-Ы управления и ограничения необходим анализ таких структур для Б и N состояний пленок, включающий в себя исследование зависимости рабочих^ характеристик устройств от величины управляющего сигнала и от сверхпроводящих свойств самих пленок ВТСП и получение таких параметров, как: АЧХ, быстродействие по Б-Ы переключению, рабочая температура и т.п.

Целью работы являлось исследование ВЧ-СВЧ свойств (механизмов ВЧ-СВЧ потерь и нелинейных явлений) пленок высокотемпературных сверхпроводников, в том числе - при воздействии магнитного поля, и реализация сверхпроводниковых устройств управления и ограничения. СВЧ диапазона.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- проведены комплексные исследования а- и с-ориентированных плвнок УРа2Си30?^ разной толщины, включающие в себя: структурный и

элементный анализ; постоянноточные и ВЧ-СВЧ измерения, в том числе - при приложении магнитного поля и СВЧ ИБлучэшш различной мощности; интерпретацию экспериментальных результатов на основе модельных представлений механизмов ВЧ-СВЧ потерь в внсокоориентировашшх и гранулированных сверхпроводящих пленках, включая потери, обусловленные воздействием постоянного магнитного поля;

- исследованы зависимости ВЧ-СВЧ поверхностного импеданса пленок УВа2Си307_х в функции от их толщины, немонотонная (с минимумом) зависимость высокочастотного поверхностного сопротивления от толщины пленки описана в рамках модельных электродинамических представлений двухслойной структуры, состоящей из высокоориентированного и гранулированного слоев;

- определен уровень ВЧ-СВЧ остаточного сопротивления в пленках УВа2Си307_х, обусловленный наличием "сильных" и "слабых" джозефсо-новских связей, -установлено, что поверхностное сопротивление в отсутствие магнитного поля определяется не свойствами джозефсоновс-ких связей, но магнитнонезависимыми остаточными потерями;

- исследованы механизмы разрушения сверхпроводящего состояния в пленках УВа2Си30 .импульсами СВЧ мощности;

- реализованы широкополосный копланарный ограничительный элемент и волноводшй фильтр-ограничитель СВЧ мощности сантиметрового диапазона на основе пленок УВа Си 0 , по своим параметрам конкурентноспособные с аналогичными устройствами на основе традиционной элементной базы.

Практическую ценность работы представляют:

- результаты исследования зависимости ВЧ-СВЧ свойств пленок УВа2Си307 от их структуры и элементного состава, что дает возможность определить необходимые технологические режимы для получения пленок с заданными параметрами;

- данные о ВЧ-СВЧ поверхностном сопротивлении и глубине проникновения электромагнитного поля в пленки УВа^Си 07_х разной толщины, позволяющие выбрать оптимальною толщину пленки и рассчитать параметры СВЧ устройств на основе ВТСП материалов;

- предложенная методика исследования высокочастотных свойств ВТСП в магнитных полях, позволяющая идентифицировать механизмы магнитнозависимых и магнитнонезависимых ВЧ-СВЧ остаточных потерь;

- результаты исследования влияния магнитного поля и СВЧ излу-

чения различной мощности на транспортные и СВЧ свойства свёрхпрово-даикоид пленок, позволяющие оценивать параметры СВЧ устройств с Б-Н переключением: токи и поля управления» пороговый уровень СВЧ мощности;

- реализованные макеты широкополосного копланарного ограничительного элемента и волноводного фильтра-ограничителя СВЧ мощности и рекомендации конструкторско-технологического характера, выработанные в результате испытаний макетов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Пленки УВа2Си307_х, полученные методом магнетронного распыления на подложках ВаЗгТ103/Мд0, демонстрируют немонотонную зависимость ВЧ-СВЧ поверхностного сопротивления от их- толщины с мкн«нумом потерь в области толщин I = 0.3 + 0.4 мкм. Немонотонная зависимость 1?д(и хорошо описывается в рамках модельных электродинамических представлений двухслойной структуры, состоящей из шсокоориентированного и гранулированного слоев. Подобный характер структуры -подтверждается результатами структурного анализа пленок теа2си3о7_х.

2. Предложенная методика исследования зависимостей высокочастотного поверхностного импеданса высокотемпературных сверхпроводников от"постоянного магнитного поля дает возможность идентифицировать механизмы ВЧ-СВЧ потерь на вихрях Абрикосова, на даозефсоновс-ких свяиях и в несверхпроводящих областях.

3. В ВЧ-СВЧ диапазонах слабые сверхпроводящие связи в пленках УВа2Си30?_х играют основную роль в зависимостях поверхностного сопротивления и глубины проникновения от магнитного поля Н, но не определяют ВЧ и СВЧ потери при Н = 0; уровень магнитнонезависимого остаточного сопротивления в отсутствие магнитного поля более чем на порядок превышал потери на слабых связях в ВЧ диапазоне и в 2 + 5 раз - на СВЧ.

. 4. Использование пленок ВТСП позволяет реализовать волноводные и макрополосковые ограничители СВЧ мощности сантиметрового диапазона. Параметры исследованных резонансных и широкополосных элементов (уровень СВЧ потерь в открытом состоянии, быстродействие по. Б-И переключению) превосходят параметры аналогичных устройств на основе традидаокной элементной базы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работа докладывались и обсуждались на:

- Intern. Workshop on Chemistry and Technology of High-Temperature Superconductors, Moscow, USSR, 1991;

- MRS Spring Meeting on Superconductivity, San Francisco, California, USA, 1992;

- European Conference on Appl. Superconductivity, Gottingen, Germany, 1993;

- Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава- СПГЭТУ в 1990 - 1993 гг.

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 161 наименование. Основная часть работы изложена на 190 страницах шшщ-нописного текста и содержит 67 рисунков и 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; шделан круг научных проблем, связанный с практической реализацией управляющих и ограничительных S-N устройств СВЧ диапазона на основе пленок высокотемпературных сверхпроводников; обоснована актуальность комплексных электрофизических исследований пленок ВТСП; сформулирована цель работы и определены основные задачи исследований; сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В разд. I.I привадеш обобщенные данные по зависимости высокочастотного поверхностного сопротивления от частоты, температуры и магнитного поля для керамики, поли- и монокристаллическик. (высокоориентированных) пленок, объемных монокристаллов ВТСП. Сделаны предположения о механизмах остаточных СВЧ потерь в пленках ВТСП. Даш сведения о реактивной составляющей поверхностного импеданса ВТСП. Показана сильная зависимость ВЧ-СВЧ свойств сверхпроводников от их структур! и

подчеркнута необходимость всесторонних электрофизических исследований пленок ВТСП с целью идентификации механизмов потерь ц их возможной минимизации. Выделены основные преимущества СВЧ свойств сверхпроводников в сравнении с традиционными материалами (низкие СВЧ потери, независимость от частоты глубины проникновения, возможность Б-Ы переключения с высоким коммутационным отношением по 1?д), предопределяющие лучшие характеристики СВЧ элементов.

В разд. 1.2 сделан обзор резонансных и широкополосных ограничительных и переключающих устройств, принцип работы которых основан на переключении сверхпроводника из сверхпроводящего в нормальное состояние. Отмечено, что использование сверхпроводимости в СВЧ технике обеспечивает снижение потерь и шумов, улучшает дисперсионные характеристики, уменьшает габариты и вес СВЧ устройств. Показано, что малое время Б-Ы переключения пленок ВТСП (менее 0.1 не при токовом или лазерном управлении) и возможность работы при азотном уровне температур позволяет рассматривать ВТСП материалы как перспективные для реализации быстродействующих СВЧ устройств управления и защитных элементов входных приемных цепей от электромагнитных импульсов повышенного уровня.

Во второй главе представлены результаты комплексных исследований электрофизических свойств ВТСП пленок. Исследования.включали в себя анализ структуры, критических параметров, транспортных и высокочастотных свойств а- и с-ориентированных пленок УВа2Си307_х с толщинами I = 0.1 + .2 мкм.

В разд. 2.1.1 рассмотрены результаты структурного анализа пленок УВа2Си307_х, выявлены качество текстуры и ее зависимость от толщины пленки, исследована природа образования дефектных областей. Структурный анализ пленок выполнен с помощью электронной микроскопии, электроно- 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 пленки УВСО до толщин порядка 0.3 - 0.4 мкм, сохраняют высокую степень ориентации и имеют минимальное количество примесей и дефектов в сравнении с более толстыми пленками, имеющими на поверхности слой гранулированной структуры.

В . разд. 2.1.2 описаны транспортные свойства пленок

УВа2Си30?_х. Исследована зависимость от толщины основных сверхпроводящих характеристик пленок (критическая температура Тс и д'Гс, удельное сопротивление р, плотность критического тока Л ). Транспортные свойства сверхпроводнлковых пленок сопоставлены с результатами структурного анализа. Показано, что различие по Тс и р для высокоориентированных и гранулированных пленок невелико для установления статистически достоверной связи с качеством пленки, в то же время параметры г = рдо„/р100. лТс, ^с хорошо коррелируют со структурой материала: для пленок высокой ориентации (I ^ 0.3 - 0.4 мкм) г Й 2 - 3, ДТС = I - 1.5 К, лс(4.2 К) г Ю6 - 5-Ю7 А/см2, для гранулированных образцов (I >0.4 мкм) г г 1.5 - 2, дТ £ 2 К, Лс(4.2 К) й Ю4 - 5-Ю5 А/см2.

Раздел 2.2.1 посвящен экспериментальному исследованию ВЧ (37 МГЦ) и СВЧ (60 ГГц) свойств пленок УВа2Си307_х в Б и N состояниях. Зависимости ВЧ-СВЧ поверхностного сопротивления и глубины проникновения поля х. от толщины пленок сопоставлены с результатами структурного анализа и транспортными свойствами пленок. Величина 1?з рассчитывалась по измерению собственной добротности резонаторов с включенными в них исследуемыми образцами. Абсолютная величина глубины проникновения определялась из' измерений сдвига резонансной частоты под влиянием магнитного поля с учетом изменения 1?з. Показано, что толщинные зависимости К^ в ВЧ и СВЧ диапазонах как для а-, так и для с-ориентированшх пленок имеют немонотонный характер с минимумом вблизи толщин 0.3 - 0.4 мкм, что хорошо согласуется с данными структурного анализа. Монотонное увеличение \ с ростом толщины.также свидетельствует об ухудшении структуры пленок. Сделан вывод о т^ом, что с точки зрения минимизации ВЧ-СВЧ потерь и достижения наивысшего коммутационного отношения по Кз при Б-К переключении наиболее перспективны пленки УВСО толщиной 0.3 - 0.4 мкм. Для исследованных пленок УВСО с толщинами 0.3 + 0.4 мкм характерны значения Е3(4.2 К, 37 МГц) 5 мкОм, 1?3(4.2 К, 60 ГГц) = 4 мОм, Ча-ориентированные пленки) г I мкм, 1?з(100 К) з 3 - 7 Ом.

В разд. 2.2.2 для идентификации основных механизмов ВЧ-СВЧ потерь рассмотрены модельные представления монокристаллической и гранулированной структуры ВТСП. ВЧ-СВЧ поверхностный импеданс монокристаллической структуры рассчитывался' на основе дьухклдкост-ной модели сверхпроводника. Для теоретической оценки высокочастотных свойств гранулированной среды использована модель системы

сверхпроводящих гранул, соединенных слабыми связями, обладающими свойствами джозефсоновского перехода. Проведено сравнение расчетных зависимостей 1?д(1, Г) с экспериментальными. Показано, что ни одна из указанных моделей не объясняет немонотонный характер зависимости Вд(и, полученной в эксперименте. Несоответствие расчетных и экспериментальных зависимостей 1?д(1,П связано с изменением качества структуры сверхпроводящей пленки по мере ее роста и с механизмами ВЧ-СВЧ остаточных потерь, не описываемыми в рамках рассмотренных моделей.

В разд. 2.2.3 предложена модель двухслойной структуры пленки, состоящей из высокоориентированного и гранулированного слоев. На основе этой модели количественно описана немонотонная толщинная зависимость 1?д и проанализированы особенности зависимостей ¡?д (I) на ВЧ и СВЧ. Отмечено, что неоднородность свойств слабых сверхпроводящих связей обуславливает отличие частотной зависимости 1?д гранулированных сверхпроводников от зависимости I? ~ Г2, соответствующей модели гранулированной среды с одинаковыми параметрами межгранульных переходов. Хорошее согласие между расчетными и экспериментальными зависимостями йд(1) поззоляет использовать полученные выражения для расчета ВЧ-СВЧ структур на основе пленок ВТСП.

Третья глава посвящена исследованию влияния ■ постоянного магнитного поля на транспортные свойства, ВЧ-СВЧ поверхностное сопротивление и глубину проникновения электромагнитного поля в пленки ВТСП. Исследовались а- и с-ориентированные пленки УЕа2Си30?_х с толщинами I = 0.1 + 2 мкм в магнитных полях до 1.2 кЭ. Электрофизические свойства этих.пленок описаны в главе 2.

В разд. 3.1 дана общая характеристика магнитных свойств ВТСП материалов и описаны ыагнитостатические свойства исследованных пленок УВСО.. Отмечено, что магнитные свойства керамики и поликристаллических пленок ВТСП существенно отличаются' от аналогичных свойств монокристаллов. Это проявляется, как правило, в- значительном снижении магнитных полей, при которых начинается проникновение магнитного штока в сверхпроводник. На основе анализа величин первого критического поля Н исследуемых пленок УВСО и характера их структуры показано, что такая же закономерность проявляется и них. Уменьшение величины Н с увеличением толщины пленки более 0.4 мкм связано с ростом гранулированного слоя и проникновением

магнитного поля в мекгранульнне контакты и в замкнутые кластеры, образованные цепочками гранул.

В разд. 3.2 представлены результаты измерений ВЧ (37 МГц) и СВЧ (60 ГГц) поверхностного импеданса пленок УВа Си30 в постоянных магнитных полях до 1.2 кЭ. Измерения проводились при Т = 4.2 К по двум методикам в зависимости от диапазона прикладываемых магнитных полей Н: для Н < 100 Э использована РС методика (охлаждение в ненулевом поле), для Н £ 1.2 кЭ - гГС методика (включение поля при Т « Т ). Определено влияние магнитного поля на высокочастотное поверхностное сопротивление и глу.бину проникновения электромагнитного поля для гранулированных и высокоориентированных пленок, а также пленок сложной структуры. Показано, что для тонких высокоориентированных пленок (I <0.3 мкм) характерны линейная зависимость I? (Н) на ВЧ и слабое влияние магнитного поля вплоть до Н = 700 Э на

з

й при Г = 60 ГГц; для пленок, соответствующих минимальным значениям Р на ВЧ-СВЧ зависимостях Я (П ^ = 0.3 - 0.4 мкм), зависимости Й(Н) имеют экспоненциальную форму; у пленок сложной структуры, имеющих гранулированный слой (I > 0.4 мкм), наблюдались- квадратичные и близкие к показательной форме' зависимости Б (Н). Отмечено, что с ростом толщины пленки снижается величина порогового значения Н, с которого начинается рост И , достигая у самых толстых из исследованных пленок УВСО (1=2 мкм) значения Н 10 3. Анализ зависимостей Кд(Н) позволил предположить, что основной вклад в ВЧ-СВЧ потери в присутствии магнитного поля у тонких высокоориентированных пленок (I < 0.3 мкм) вносят потери на вихрях Абрикосова, а у пленок с I ^ 0.3 мкм - потери на слабых джозефсоновских связях.

В разд. 3.3.1 проведено моделирование влияния магнитного поля на ВЧ-СВЧ импеданс монокристаллических сверхпроводников II рода. Рассмотрены механизмы диссипации, обусловленные вязким движением вихрей и термически активируемым движением флюксонов через потенциалы центров пиннинга. Получены выражения, описывающие зависимость ВЧ-СВЧ поверхностного импеданса монокристаллических пленок ВТСП от магнитного поля, толщины пленки, частоты. Дано оОъяснение линейного характера зависимости 1?3(Н) на ВЧ и отсутствия зависимости 1?д(Н) на СВЧ при Н £ I кЭ. Показано, .что для условий нашего эксперимента (Нтах ^ I кЗ, Т = 4.2 К) потери за счет крипа магнитного потока не отразятся на результатах измерений. Сделан вывод о том, что линейная зависимость й (Н) у высокоориентированных пленок ВТСП может

слупить индикатором механизма потерь на вихрях. Абрикосова.

В разд. 3.3.2 представлены модели, описывающие высокочастотные свойства в магнитных полях гранулированных ВТСП материалов. Модели предполагают, что доминирующий вклад в ВЧ-СВЧ потери при воздействии магнитного поля вносят слабые связи, проявляющие свойства однородного и неоднородного (с залиннингованными в ■ сверхпроводящих берегах абрикосовскими вихрями) дкозефсочовского перехода. Показано, что зависимости R&.(H) могут иметь квадратичную (для однородных джозефсоновских переходов) или близкую к экспоненциальной (для неоднородных джозефсоновских переходов) функциональные формы. Отмечено, что с точки зрения функциональных форм основное отличие механизма магнитопотерь на вихрях Абрикосова от механизма потерь на джозефсоновских связях проявляется в показателе п степенной зависимости R3(H) ~ Нп: первому механизму соответствует n = 1, второму -более сильная зависимость с п £ 2. Представленные модели описывают также и транспортные (токи управления) свойства сверхпроводников со слабыми связями в постоянных магнитных полях.

В разд. 3.4 на основе модельных представлений пленок ВТСП в магнитных полях интерпретируются экспериментальные зависимости Rs(H) и МН), описанные-в разд. 3.2. Показано, что количественные оценки ВЧ и СВЧ магнитопотерь на вихрях Абрикосова для высокоориентированных пленок и на джозефсоновских связях для гранулированных пленок YBC0 хорошо согласуются с экспериментальными данными. Установлено, что для пленок сложной структуры, 'состоящих из высокоориентированного и гранулированного слоев, зависимость определяют слабые связи в гранулированном слое. На основе экспериментальных данных и теоретических оценок сделан вывод об отсутствии влияния магнитного поля на поверхностный импеданс монокристаллических пленок в верхней части СВЧ диапазона (^ 60 ГГц) вплоть до нолей Н порядка единиц килоэрстед. На основе результатов исследования природы образования слабых связей и модельной интерпретации экспериментальных зависимостей Rg(H) установлено, что слабые связи на межгранульных границах проявляют свойства однородного джозефсоновс-кого перехода и "обуславливают квадратичную зависимость R3(H), а слабые связи на границах между микроблоками (внутри гранул и в высокоориенФированном слое) представляют собой.неоднородные джозеф-соновские переходы и вызывают экспоненциальную зависимость Ra(H). Показано, что в исследованных пленках YBC0 слабые сверхпроводящие

связи играют основную роль в зависимостях Кд(Н) и МН), но' не определяют ВЧ и СВЧ потери в отсутствие магнитного поля, что свидетельствует о доминирующей роли при Н = 0 механизма магнитноне-зависимых остаточных потерь, причем в ВЧ диапазоне магнитнонезави-симые остаточные потери в 10 -^.20 раз превышали потери на слабых сверхпроводящих связях и в 2 + 5 раз - на СВЧ. Сделан вывод о том, что рассчитанные значения й (0), соответствующие потерям на даозеф-ооновских связях при Н = 0, можно трактовать как нижний предельный уровень поверхностного' сопротивления для исследованных пленок УВа2Си30?_х, если магнитнонезависимые остаточные потери будут устранены.

Четвертая глава посвящена резонансным и широкополосным СВЧ. ограничителям на основе Б-Н переключения сверхпроводниковых пленок. Представлены результаты испытаний широкополосного копланарного элемента и волноводного фильтра-ограничителя сантиметрового диапазона, проанализированы процессы разрушения сверхпроводящего состояния в пленках УВа2Си307_х под влиянием СВЧ излучения' различной мощности, выделены основные механизмы СВЧ потерь, определяющие рабочие характеристики рассматриваемых устройств.

В разд. 4.1 рассмотрены результаты исследования широкополосного Б-Ы■ограничителя СВЧ мощности, выполненного в виде отрезка ■согласованной коиланарной линии (КЛ) на основе тонкой пленки УВа2Си307_х (I = 0.3 мкм). Топологические размеры (зазор Б = 40 + 50 мкм, ширина центральной полоски Ы = 80 + 100 мкм) обеспечивали волновое сопротивление линии в Б-состоянии 20 = 49 -,.50 Ом. Длина активной части КЛ 1 = 7 - 10 мм. Испытания ограничительного элемента проводились при воздействии на него СВЧ импульсов длительностью 0.8 мкс, фрсШтом 50 не, скважностью 100, несущей частотой 7.5 + II ГГц, мощностью от 10~э до Ю2 Вт. Для исследования динамики Б-Ы переключения в линии в течение прохождения по КЛ СВЧ импульса по центральному проводнику был пропущен небольшой постоянный ток 1=1 МА (I « 1с). Получены зависимости СВЧ потерь в ЮГ при различных температурах от мощности СВЧ импульса и изменение затухания в течение импульса. Отмечен заметный рост потерь, в то время как сопротивление пленки по постоянному току отсутствует. Рассмотрены механизмы увеличения СВЧ потерь в линии при увеличении входной СВЧ мощности: увеличение в при Т < Т вследствие нагрева пленки СВЧ

мощностью, нелинейный вклад в СВЧ потери слабых джозефсоновских связей, зарождение и движение абрикосовских вихрей в магнитном поле СВЧ волны, уменьшение плотности сверхпроводниковых носителей заряда вследствие подогрева СВЧ током подсистемы этих носителей заряда. Установлено, что диссипацию СВЧ мощности при отсутствии напряжения по постоянному току на центральном проводнике КЛ можно объяснить зарождением и движением вихрей, в случае обычного резистивного состояния КЛ тепловые домены играют решаадую роль. Проведенные исследования копланарного ограничительного элемента показали: ' в полосе частот измерений в S состоянии (Т/Т < 0.8) КЛ имеет потери L i 0.5 дБ (КСВ < 1.3), а в N состоянии (Т°= 100 К) L £ 20 дБ (КСВ s 2); пороговая мощность срабатывания - единицы Ватт; при рабочей температуре Т = 70 К (Т/Тс =0.9) малосигнальное ослабление составляло 3 дБ, и потери возрастали до 18 дБ при СВЧ мощности 50 Вт.

В разд. 4.2 представлены результаты исследования СВЧ фильтра-ограничителя на основе волноводных резонансных элементов с S-M ключами на основе пленок ВТСП. Фильтр-ограничитель реализован на центральную частоту ~ 10 ГТц. Ограничитель состоял из двух резонансных элементов, разделенных четвертьволновой секцией волновода основного сечения -и. размещенных между фланцевыми соединениями волноводного тракта. Резонансный элемент фильтра представляет собой поперечную медную диафрагму с щелевым резонатором размером (20 -22) х (0.5 - 0.9) мм. Ключ изготавливался из высокоориентированной пленки YBa2Cu30?_x толщиной 0.3 мкм и помещался fc центр диафрагмы. В зависимости от топологии ширина ВТСП ключа изменялась в пределах W = 30 + 50 мкм, а его длина - в пределах 1 = 0.5 *■ I мм. S-N переключение этого ключа под действием повышенного уровня СВЧ излучения приводило к резкому снижению добротности резонансных элементов и к изменению их резонансной частоты. Параметры импульсов СВЧ мощности,! подаваемых на фильтр-ограничитель, аналогичны описанным в разделе 4.1. Получены зависимости ослабления сигнала, коэффициентов отражения и пропускания от мощности входного СВЧ импульса при различных температурах и изменение затухания в течение импульса. Качественное подобие форм огибающих выходных СВЧ импульсов фильтра-ограничителя и копланарного ограничительного элемента, рассмотренного в разд. 4.1, при увеличении входной СВЧ мощности позволило предположить аналогичность механизмов S-N переключения ;в копланарной линии и в резонансном элементе. Испытания волноводного

фильтра-ограничителя с ВТСП ключами при азотном уровне температур в трехсантиметровом диапазоне длин волн показали: центральная частота - 10.5 ГГц, полоса пропускания по уровню 0.5 дБ - I ГГц, коэффициент прямоугольности АЧХ в режиме "открыто" по уровням 0.5 и 15 дБ -4, на центральной частоте ослабление в режиме "открыто" - < 0.3 дБ (КСВ s 1.2), ослабление в режиме "закрыто" - £ 20 дБ (КСВ з 12), пороговая мощность срабатывания - 0,5 Вт.

В заключении кратка изложены основные результаты рвботы:

1. Исследованы зависимости ВЧ-СВЧ поверхностного импеданса от. толщины а- и с-ориентированных пленок YBa2Cu30?_x. Выявлена взаимосвязь между транспортными и ВЧ-СВЧ свойствами пленок ВТСП и качеством их структуры. Полученные данные по высокочастотному поверхностному сопротивлению и глубине проникновения электромагнитного поля позволяют выбирать оптимальную толщину пленки ВТСП при реализации СВЧ устройств.

2. На основе результатов электрофизических исследований пленок YBa2Cu30?_x показано:

- пленки YBC0, полученные методом магнетронного распыления на ориентирующих подложках BaSrTi03/Mg0, до толщин порядка 0.3 + 0.4 мкм имеют высокоориентированную структуру, дальнейшее увеличение толщины пленки приводит к образованию на ее поверхности гранулированного слоя;

- зависимость ВЧ-СВЧ поверхностного сопротивления пленок YBCÔ от их толщины имеет немонотонный характер, минимальные ВЧ-СВЧ потери соответствуют пленкам с толщинами 0.3 + 0.4 мкм.

3. Немонотонная зависимость ВЧ-СВЧ поверхностного сопротивления от толщины пленки описана в рамках модельных электродинамичес-■ ких представлений двухслойной структуры, состоящей из высокоориентированного и гранулированного слоев.

4. Исследовано влияние магнитного поля на высокочастотное поверхностное сопротивление и глубину проникновения электромагнитного поля в пленки ВТСП высокоориентированной и гранулированной структуры. Полученные данные по зависимостям Э3(Н) и \(Н) позволяют оценить изменение рабочих характеристик сверхпроводниковых ВЧ-СВЧ элементов при воздействии.фоновых или управляющих магнитных полей.

5. Разработана.методикй -по.- идёнтйфикацйи- механизмов ВЧ-СВЧ

потерь на.вихрях Абрикосова, на джозефсоновских связях и в несверхпроводящих областях на основе анализа зависимостей высокочастотного поверхностного импеданса ВТСП от постоянного магнитного поля. Апробация методики на пленках УВа2Си30?_х позволила сделать вывод о том, что:

- рост ВЧ потерь в високоориентированных пленках- толщиной менее 0.3 мкм при увеличении магнитного поля до величин К = I кЭ обусловлен в основном вяекой осцилляцией абрикосовских вихрей;

- увеличение при воздействии магнитного поля ВЧ-СВЧ потерь в пленках двухслойной структуры с толщинами более 0.3 * 0.4 мкм связано со свойствами джозефсоновских связей на границах между микроблоками и гранулами;

- поверхностное сопротивление в отсутствие магнитного поля определяется ке свойствами слабых сверхпроводящих связей, но магнитнонезависимыми остаточными потерями в несверхпроводящих областях: уровень магнитнонезависимого остаточного сопротивления при Н г 0 в 10 + 20 раз превышал потери на слабых связях в ВЧ диапазоне и в 2 +.5 раз - на СВЧ.

6. Данные исследований, приведенные в диссертационной работе,' дают возможность оценивать параметры СВЧ устройств с Б-И переключением: токи управления, пороговый уровень СВЧ мощности, АЧХ в Э и N состояниях.

7. Исследованы механизмы разрушения сверхпроводящего состояния в высокоориентированных пленках УВа2Си30у_х импульсами СВЧ мощности. Установлено, что рост СВЧ потерь при увеличении СВЧ мощности обусловлен зарождением и движением абрикосовских вихрей в магнитном поле СВЧ волны, а также разрастанием тепловых нормальнопроводящюс доменов.

8. Исследованы волноводный фильтр-ограничитель СВЧ мо"£ности сантиметрового диапазона и копланарный широкополосный ограничительный элемент, выполненные на основе пленок УВа2Сиэ07_х. Параметры исследованных устройств (уровень СВЧ потерь в открытом состоянии, быстродействие, прямоугольность АЧХ фильтра) превосходят параметры аналогичных устройств на основе традиционной элементной базы.

Основное содержание диссертации изложено,в следующих работах:

I. Ограничители СВЧ-мощности на основе пленок УВа Си30?_.,

И.М. Гайдуков, А.Б. Козырев, Л. Ковалевич, Т.Б. Самойлова, О.И. Солдатенков // СФХТ. - 1990. - Т.З, Jt 10. - С.2170-2174.

2. Destruction of superconducting state in thin film by microwave pulse / A.B. Kozyrev, T.B. Samoilova, 0.1. Soldatenkov, 0.6. Vend Iff // Solid State Communications - 1991. - V.77, N 6. -P.441-445.

3. High-Tc superconductors: physical principles of microwave applications / M.M.Galdukov, S.G.Kolesov, A.B.Kozyrev, A.Yu.Popov, T.B. Samoilova, 0.1. Soldatenkov, O.G. Vendik // Leningrad: LEEI. -1991. - GOP. ' ..

4. A microwave response in magnetic field and the structure of YBa2Cu30?_x superconducting films / S.F. Karmanenko, A.B. Kozyrev, T.B. Samoilova, 0.1. Soldatenkov, O.G. Vendik, V.Ju. Davydov // Proc.MSU-HTSC II. - Moscow. - 1991. - October. - P.178-188.

5. The influence of magnetic field on microwave surface resistance of two-layer YBa2Cu30?_x films / O.G. Vendik, A.B. Kozyrev, S.F. Karmanenko, V.L. Klimenko, K.F. NJakshev, 0.1. Soldatenkov // Solid State Communications - 1992. - V.84, N 3. - P.327-332.

G. Высокочастотное . поверхностное сопротивление пленок УВа2Си30?_х в постоянном магнитном поле / М.М.Гайдуков, В.Л.Клименко, А.Б.Козырев, 0.И.Солдатенков // Письма в ЖТФ - 1992. - Т.18, А 21. - С.76-79.

7. A microwave response of YBa2Cu307_x superconducting films In magnetic field / S.F.Karmanenko, A.B. Kozyrev, 0.1. Soldatenkov, O.G. Vendik, V.Ju. Davydov // MRS Conf. - San Francisco. - 1992. -April-May. - P.319-322.

8. Методика исследования ВЧ-свойств сверхпроводников / М.М. Гайдуков, В.Л. Клименко,.A.B. Козырев, О.И. Солдатенков // СФХТ. -1993. - Т.6, * 2. - С.336-343.

Подл, к печ. 03.11.93. Формат 60 х 84 1/16. Офсетная печать. Печ. л. 1.0; уч.-изд. л. 1.0..Тираж 100 экз. Зак. Л 240. Бесплатно.

Ротапринт СПГЗТУ 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5