Preparation and properties of the mercury based thin films of very High Tc superconductors and their possible applications in cryoelectronics
Elaboration et propriétés de films minces à base de mercure supraconducteurs de très haute température critique et leurs applications possibles à la cryoélectronic
Résumé
The Hg-based superconductors are materials with the highest critical temperatures from all known superconductors. Their application as the devices for the everyday use is, however, limited due to the difficulties in their fabrication. The optimization of the preparation methods will open large possibilities for the cryoelectronic applications.
Within the frame of my dissertation thesis we tried to optimize the parameters of the synthesis of the thin Hg-based films. The development of the non-contact method for the mercuration of the thin films confirmed the film formation via Hg vapour phase which will enable the development of the devices for the mercuration of the larger samples (few cm). The lift-off method used for the patterning of the precursor films prevents the water contamination of the films and thus their degradation. The non-contact mercuration also enabled the fabrication of the Hg-based superconducting structures with the minimal risk of the short-circuits between the single parts of the structure. The formation of the Hg-1223 decreased the amount of the impurities on the top of the films which will enable the fabrication of the sandwich planar Josephson junctions, too.
The prepared coplanar structures are suitable for the use in the ultra-fast detectors. The structures containing microbridges can serve for the study of the superconductivity in the micro- and submicro- scale and for the fabrication of the Josephson junctions of such dimensions. The model structure of the superconducting fault-current limiter was the first step for the fabrication of the real limiter structure and will be used for the study of the superconducting properties on this type of the structure. The use of the sapphire substrate allows the application of the Hg-based superconducting structures also for the microwave devices.
All the structures had high values of the critical temperatures (up to 110 K for the coplanar strips and microbridges, up to 120 K for the limiter model structures) which provide the stability of the superconducting properties and parameters (coherent length, energy gap, etc.) at the working temperature of the superconductor (77 K).
Within the frame of my dissertation thesis we tried to optimize the parameters of the synthesis of the thin Hg-based films. The development of the non-contact method for the mercuration of the thin films confirmed the film formation via Hg vapour phase which will enable the development of the devices for the mercuration of the larger samples (few cm). The lift-off method used for the patterning of the precursor films prevents the water contamination of the films and thus their degradation. The non-contact mercuration also enabled the fabrication of the Hg-based superconducting structures with the minimal risk of the short-circuits between the single parts of the structure. The formation of the Hg-1223 decreased the amount of the impurities on the top of the films which will enable the fabrication of the sandwich planar Josephson junctions, too.
The prepared coplanar structures are suitable for the use in the ultra-fast detectors. The structures containing microbridges can serve for the study of the superconductivity in the micro- and submicro- scale and for the fabrication of the Josephson junctions of such dimensions. The model structure of the superconducting fault-current limiter was the first step for the fabrication of the real limiter structure and will be used for the study of the superconducting properties on this type of the structure. The use of the sapphire substrate allows the application of the Hg-based superconducting structures also for the microwave devices.
All the structures had high values of the critical temperatures (up to 110 K for the coplanar strips and microbridges, up to 120 K for the limiter model structures) which provide the stability of the superconducting properties and parameters (coherent length, energy gap, etc.) at the working temperature of the superconductor (77 K).
Les supraconducteurs à base de mercure sont les matériaux ayant les températures critiques les plus élevées de tous les supraconducteurs connus. Mais leurs applications dans des dispositifs d'utilisation pratique est limitée en raison de leurs difficultés d'élaboration. L'optimisation des méthodes de préparation ouvrira d'importantes possibilités pour les applications cryoeléctroniques.
Dans le cadre de ma thèse j'ai essayé d'optimiser les paramètres de synthèse de couches minces à la base de cuprates de mercure (Hg-1212 ou Hg-1223). Le développement d'une méthode de mercuration sans contact a confirmé que la formation de couches se faisait par phase vapeur. Ceci permettra d'envisager une fabrication d'échantillons de plus grandes dimensions (quelque cm) que celle de ceux que nous fabriquons actuellement. L'utilisation du procédé lift-off de gravure des couches précurseur a permis d'éviter la contamination des couches de cuprates de mercure et donc la dégradation de leurs propriétés supraconductrices. On a ainsi pu réaliser des motifs supraconducteurs au micron intéressants. La mercuration sans contact a aussi permis une limitation de la pollution par les grains de la source de mercure. C'est une amélioration importante pour éviter la création de courts-circuits entre des lignes co-planaires utilisées pour tester la photo-réponse de ce type de supraconducteur. On a trouvé que l'épaisseur de la couche tampon avait une influence sur la formation de la phase supraconductrice. L'épaisseur de la couche de CeO2 modifie les contraintes et l'arrangement des défauts dans cette couche, or ces défauts jouent un rôle critique dans la diffusion de Ca-Cu-O nécessaire à la formation de Hg-1223. L'amélioration de la formation de Hg-1223 diminue le volume des impuretés en surface ce qui permettra d'envisager la fabrication de structures planaires sandwich pour des jonctions de Josephson.
Les structures co-planaires de la phase Hg-1212, sont compatibles pour leur utilisation dans des détecteurs ultra rapides. Ces structures comportent des micro-ponts et peuvent servir pour les études de la supraconductivité à l'échelle micronique ainsi qu'à la fabrication de jonctions Josephson à cette échelle. Dans un autre domaine, on a pu réaliser une structure modèle destinée à l'étude de limiteurs de courants supraconducteurs utilisant ce matériau. L'utilisation de saphir comme substrat permettra d'accéder aux domaines micro-ondes.
Toutes ces structures étaient supraconductrices avec des températures critiques élevées (jusqu'au 110 K pour les lignes co-planaires et les microponts, et jusqu'au 120 K pour les structures modèles pour le limiteur de courant). Cette haute température critique assure la stabilité des propriétés supraconductrices à la température de l'azote liquide (77 K) à laquelle seront testés ces dispositifs.
Dans le cadre de ma thèse j'ai essayé d'optimiser les paramètres de synthèse de couches minces à la base de cuprates de mercure (Hg-1212 ou Hg-1223). Le développement d'une méthode de mercuration sans contact a confirmé que la formation de couches se faisait par phase vapeur. Ceci permettra d'envisager une fabrication d'échantillons de plus grandes dimensions (quelque cm) que celle de ceux que nous fabriquons actuellement. L'utilisation du procédé lift-off de gravure des couches précurseur a permis d'éviter la contamination des couches de cuprates de mercure et donc la dégradation de leurs propriétés supraconductrices. On a ainsi pu réaliser des motifs supraconducteurs au micron intéressants. La mercuration sans contact a aussi permis une limitation de la pollution par les grains de la source de mercure. C'est une amélioration importante pour éviter la création de courts-circuits entre des lignes co-planaires utilisées pour tester la photo-réponse de ce type de supraconducteur. On a trouvé que l'épaisseur de la couche tampon avait une influence sur la formation de la phase supraconductrice. L'épaisseur de la couche de CeO2 modifie les contraintes et l'arrangement des défauts dans cette couche, or ces défauts jouent un rôle critique dans la diffusion de Ca-Cu-O nécessaire à la formation de Hg-1223. L'amélioration de la formation de Hg-1223 diminue le volume des impuretés en surface ce qui permettra d'envisager la fabrication de structures planaires sandwich pour des jonctions de Josephson.
Les structures co-planaires de la phase Hg-1212, sont compatibles pour leur utilisation dans des détecteurs ultra rapides. Ces structures comportent des micro-ponts et peuvent servir pour les études de la supraconductivité à l'échelle micronique ainsi qu'à la fabrication de jonctions Josephson à cette échelle. Dans un autre domaine, on a pu réaliser une structure modèle destinée à l'étude de limiteurs de courants supraconducteurs utilisant ce matériau. L'utilisation de saphir comme substrat permettra d'accéder aux domaines micro-ondes.
Toutes ces structures étaient supraconductrices avec des températures critiques élevées (jusqu'au 110 K pour les lignes co-planaires et les microponts, et jusqu'au 120 K pour les structures modèles pour le limiteur de courant). Cette haute température critique assure la stabilité des propriétés supraconductrices à la température de l'azote liquide (77 K) à laquelle seront testés ces dispositifs.
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