научная статья по теме СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ СВЧ-РЕЗОНАТОРЫ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ NB3SN Химия

Текст научной статьи на тему «СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ СВЧ-РЕЗОНАТОРЫ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ NB3SN»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2010, том 46, № 12, с. 1448-1455

УДК 621.357.7+669.293'6:538.945

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ СВЧ-РЕЗОНАТОРЫ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ Nb3Sn1

© 2010 г. В. Н. Колосов*, А. А. Шевырев**

*Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦРоссийской академии наук, Апатиты e-mail: tantal@chemy.kolasc.net.ru **Научно-производственный центр "Синтез", Москва e-mail: shevyrev@demos.ru Поступила в редакцию 24.12.2009 г.

Показана возможность получения совместным электрохимическим осаждением металлов покрытий Nb3Sn, пригодных для работы в сверхпроводниковых СВЧ-устройствах. На их основе с использованием метода гальванопластики изготовлены и исследованы образцы сверхпроводящих резонаторов.

ВВЕДЕНИЕ

Использование сверхпроводников в высокочастотной технике позволяет значительно улучшить многие характеристи СВЧ-устройств: добротность, быстродействие и др. С целью исследования применения сверхпроводимости в СВЧ-технике были изучены резонаторы из свинца [1]. При возбуждении в них колебаний Н-типа получена добротность 108— 109, в то время как для лучших резонаторов, изготовленных из металлов с нормальной проводимостью, она не превышала 105. Однако большее практическое значение имеют резонаторы с колебаниями Е-типа. В свинцовых резонаторах с электрическими типами колебаний из-за высокого поверхностного сопротивления свинца добротность снижается на 3—4 порядка. Поэтому в СВЧ-системах с колебаниями Е-типа в качестве сверхпроводящего слоя используют ниобий или его сплавы и соединения [2—4].

Цель данной работы — получение совместным электрохимическим осаждением металлов покрытий №38п, пригодных для работы в сверхпроводящих изделиях СВЧ-техники, исследование их характеристик и создание на их основе опытных образцов высокочастотных резонаторов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Для обеспечения низких потерь энергии резонансная система должна иметь высокую добротность (0):

Q =

G R

(1)

1 Материалы статьи частично доложены на Х Китайско-Рос-

сийском симпозиуме "Материалы с улучшенными свойства-

ми и технологии" (Дзясин, Китай, октябрь 2009 г).

Здесь О — геометрический фактор, зависящий от формы резонатора и управляющей моды; Я,, — поверхностное сопротивление.

Для оценки эффективности использования сверхпроводящего материала в СВЧ-технике выразим его характеристики (критические поля, глубину проникновения и т.д.) через три основные и легко измеряемые величины: критическую температуру (Тс), постоянную Зоммерфельда (у) (у = 2/3п2кЩ(ЕР), где к — постоянная Больцмана, Щ(Ер) — плотность состояний на уровне Ферми) и остаточное сопротивление (ро). Для сверхпроводников II рода, к которым относится соединение №>38п, у которых 1п > £,0 (1п — длина свободного пробега электрона, £,0 — длина когерентности), при Т< 0.5 Тс эти связи могут быть записаны в простой форме [5]. Для термодинамического критического магнитного поля:

Hc = 3.05 х 10

-3 1/2,

Y

T

(2)

где Нс в А/м, у — в Дж/(м3 К2) и Т в К. Поле, при котором происходит магнитный пробой, связано с Нс соотношением

Hmb = 0.75 Hc = 2.28 х 10-3 у1/2

T

(3)

Малая глубина проникновения магнитного поля позволяет использовать тонкие сверхпроводящие покрытия. Для исключения проникновения СВЧ-поля в подложку его необходимая толщина должна превышать 10^. Кроме того, при использовании тонких слоев улучшается их адгезия к

подложке. Значение X может быть определено из соотношения [6]:

Х = 1.05 х 10-5 (р^Тс )2, (4)

где X в А, ро в Ом м и Т в К. Полное поверхностное сопротивление металла в сверхпроводящем состоянии состоит из двух слагаемых:

.1/2

Я, — я,

БКШ

+ я

(5)

где ЯБКШ — температурно-зависимое сопротивление, которое может быть строго рассчитано на основе теории БКШ [7], Яо — остаточное сопротивление, не зависящее от температуры.

Для правильного понимания, почему сверхпроводящий поверхностный импеданс при Т < Тс не нулевой, хотя сопротивление на постоянном токе отсутствует, достаточно объяснения, основанного на двухжидкостной модели Казимира—Гортера [8]. Поверхностный импеданс (2), описывает отклик электромагнитного поля металлической поверхности и определяется как

п ют

'общ

ют

Рис. 1. Эквивалентная схема сверхпроводника в электрической цепи.

кучими. Так же как при Т = Тс, все они являются нормальными. Следовательно, можно записать два уравнения:

5

1

п

5

п

п

п

^ = я + IX, = Е, (6)

где Б, и И( — тангенциальные компоненты электрического и магнитного полей на металлической поверхности. Реактанс X обусловлен фазовым смещением электромагнитной волны после ее поверхностного отражения. Сопротивление Я5 связано с усредненными по времени потерями энергии и является, согласно (1), обратно пропорциональным 0. При этом выполняется условие Я(Т) = 0 при Т < Тс и ю = 0. Кроме того, в слабых магнитных полях сверхпроводники являются идеальными диамагнетика-ми (эффект Мейсснера).

На основании этих двух фактов электромагнитные свойства сверхпроводника могут быть описаны уравнениями Максвелла при предположении, что ток генерируется двумя электронными компонентами [9]: нормальной и "сверхтекучей", которая и является ответственной за потерю сопротивления. Ток I в сверхпроводнике может быть разложен на ток "сверхтекучих" электронов и ток, переносящийся нормальными электронами: I = 15 + 1п. Если п — общее число электронов проводимости в металле, то число сверхтекучих электронов (п) зависит от соотношения , = Т/Тс:

пп1п = *4 и п/п = 1 - *4П + П = п. (7)

Таким образом, исходя из соотношений (7), электроны проводимости при Т = 0 являются сверхте-

1п = (8а)

I, = Л/ (ц (8б)

где Е — напряженность электрического поля, А — вектор-потенциал магнитного поля, — лондо-новская глубина проникновения.

На основе уравнений (8) можно определить эффективную проводимость (Стэф), удовлетворяющую уравнению I = стэфЕ так, чтобы выполнялось соотношение

4 = (юоЦ/2стЭф)1/2(1 + 0, где ю0 = 2яvо — частота, ц — магнитная проницаемость металла. После преобразований можно получить:

^ эф = + ю 2, (9)

где стх = пп/п — реальная часть проводимости, соответствующая джоулевым потерям, которая определяется только нормальными электронами; ст2 = [пп/п + п/п] ют — мнимая часть проводимости, соответствующая индуктивному характеру как нормальных, так и сверхпроводящих электронов.

Таким образом, можно схематически представить эквивалентную цепь сверхпроводника в электрической цепи, как показано на рис. 1. При нулевой частоте резистанс пп/п шунтируется индуктивным сопротивлением "сверхтекучих" электронов. При этом результатом является отсутствие сопротивления. При конечных частотах имеются потери,

так как высокая частота соответствует слабому шунтирующему действию индуктивного сопротивления. Для известных величин ро и Тс вклад ДБКШ в поверхностное сопротивление Д может быть рассчитан по формуле [3]:

*БКШ = 0.14 X , (10)

(<*2/а п)'

где ДБКШ в нОм, V — частота в МГц. Для значений Т < Тс/2 и V <§ А/(2як) (А — ширина энергетической щели, к — постоянная Планка) отношения ст1/стп и ст2/стп могут быть рассчитаны по методике, приведенной в [10].

Второй член Д0 в уравнении (5) — температурно-независимое остаточное сопротивление. Оно связано с захваченным магнитным потоком и примесями. Примеси вызывают локальное изменение энергетической щели (А) и могут приводить к возникновению в окрестности точек их расположения изолированных нормальных областей, которые в случае низкой теплопроводности материала будут распространяться по всему объему сверхпроводника. Другим источником повышения Д, является несовершенство поверхности сверхпроводника. Шероховатости даже микроскопического масштаба могут привести к заметным потерям. Острый выступ на поверхности представляет область, где напряженность магнитного поля выше, чем в среднем вблизи поверхности, и может превысить Ис. Кроме того, шероховатости могут служить источником электронной эмиссии. Все эти факторы ограничивают добротность для данной геометрии резонатора.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Опытные образцы резонаторов с рабочим сверхпроводящим слоем №38п изготавливали методом гальванопластики. В качестве исходных матриц использовали штампованные заготовки из никеля с молибденовыми покрытиями, осажденными электролизом из расплава солей. После осаждения молибден подвергали механической и электрохимической полировке. Затем на полированную поверхность совместным электрохимическим осаждением ниобия и олова из солевого расплава наносили слой №38п, на который электролизом осаждали ниобий. После этого заготовку отмывали от остатков солей и, если требовалось, наносили медное покрытие электрохимическим осаждением из сернокислого электролита. Затем никелевую основу и молибденовый слой растворяли в водном растворе азотной и соляной кислот с получением композиций №>38п/ЫЪ/Си или №>38п/№>, в которых поверхность рабочего

сверхпроводящего слоя представляла реплику полированной поверхности молибдена.

Условия осаждения отдельных слоев в предварительных экспериментах оптимизировали с использованием плоских подложек. Для контроля характеристик изделий и сравнения их с данными, полученными на плоских образцах, электроискровым способом вырезали образцы из различных частей резонаторов. Методы нанесения и полировки покрытий, исследования их структуры, измерения характеристик, аппаратура, реактивы и их подготовка соответствовали применявшимся ранее в [11—16].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Было установлено, что при нанесении молибдена на никелевую подложку на границе Ni/Mo образуется промежуточный слой (рис. 2а). Согласно данным РФА, он представляет собой S-фазу MoNi, содержащую ~60 мас. % Mo (рис. 2б). Его образование обусловлено диффузией молибдена в никель, в то время как диффузия никеля в молибден пренебрежимо мала.

Таким образом, поскольку загрязнение молибдена никелем в процессе электролиза носит локальный характер, то для достижения необходимой чистоты по примеси никеля не требовалось слоя молибдена большой толщины. Исходя из этого, при формировании матриц резонаторов использовали его слои толщиной не более 30-40 мкм. По данным искровой масс-спектрометрии

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком