Высокотемпературные сверхпроводники в наноэлектронике

Основой для создания электронных элементов с использованием высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) являются технологии формирования тонких и совершенных слоев этого материала.

Формирование наноразмерной планарной активной зоны

Для формирования джозефсоновского перехода в сверхпроводниковой структуре необходимо разделить две области сверхпроводника слоем диэлектрика или нормального проводника размером 3—30 нм, что связано с длиной корреляции связанных электронов в этих материалах. Поскольку разработанные методы позволяют получать структуры, содержащие один слой сверхпроводника, необходимо создание наноразмерной дефектной зоны в плоскости пленки.

Один из методов создания наноразмерных планарных зон — это использование бикристаллических подложек. Другой метод основан на изменении рельефа подложки по длине микрополоски.  Третий метод использует свойства поликристаллических структур. Границы между зернами являются естественными активными зонами с характерным размером от долей нанометра до нескольких нанометров. Недостатком такой структуры является большое число таких границ на длине сверхпроводникового элемента, неоднородность структурных и электрических свойств границ, сложность управления их свойствами.

Датчики магнитного поля

Интересный вариант использования слоев сверхпроводника толщиной до 100 нм для изготовления датчика магнитного поля основан на использовании магнитных барьеров. Однако для практической реализации этой идеи требуется создание бездефектной структуры, что в настоящее время затруднительно. Наиболее простой и эффективный способ изготовления датчика магнитного поля на этом этапе развития технологии основан на использовании эффектов на границах зерен сверхпроводника. Фактически каждая межзеренная граница работает как джозефсоновский переход, а по совокупности вся структура может рассматриваться как «джозефсоновская среда». Именно эти границы значительно изменяют сопротивление при воздействии внешнего магнитного поля. Наличие таких границ хотя и снижает критический ток, но одновременно повышает чувствительность структуры к внешнему магнитному полю. К достоинствам сверхпроводникового датчика магнитного поля можно отнести векторный характер его магниточувствительности.

Фотоника волноводных наноразмерных структур

Нанофотоника — наука о взаимодействии света с веществом в нанометровом масштабе. Ключевой факт — то, что нанофотоника имеет дело со взаимодействиями между светом и веществом в масштабе короче, чем длина волны света.

В нанофотонике можно концептуально выделить три направления исследований и применений. Первое направление связано с изучением процессов, инициированных в веществе при возбуждении пучком света, сфокусированным до нанометровых размеров. При этом сам объект исследования может иметь достаточно протяженные размеры (больше, чем длина волны возбуждающего света). Необходимое уменьшение размера площади, на которой фокусируется свет, требует специальной техники. Поэтому эти исследования связаны в основном с применением микроскопии ближнего поля.

Второе направление связано с исследованиями оптических свойств (линейных и нелинейных) наноразмерных частиц. В этих исследованиях размер возбуждающего светового пятна может быть любым, но объект исследований либо состоит из наноразмерных частиц, либо имеет нанометровые размеры хотя бы в одном измерении.

И третье направление охватывает изучение химических превращений, инициируемых светом в термодинамически устойчивых наноразмерных частицах.

Оптические волокна с фотонно-кристаллической структурой

Создание фотонных кристаллов и так называемых фотонно-кристаллических или «дырчатых» волоконных световодов на их основе является одним из наиболее значительных достижений оптических технологий последних лет.

С общей точки зрения фотонный кристалл является сверхрешеткой — средой, в которой искусственно создано дополнительное поле с периодом, на порядки превышающим период основной решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды — в одном, двух или трех измерениях. Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в решетке обычного кристалла, узлы которого находятся друг от друга на расстоянии, много меньшем длины волны света. Поэтому такие решетки и получили особое название — фотонные кристаллы.

Типы фотонно-кристаллических волокон

Фотонно-кристаллические волокна (ФКВ) — это волокна, оболочка которых представляет двумерный фотонный кристалл. То есть волокно в поперечном сечении обладает периодической структурой, состоящей из плотной сердцевины, окруженной множеством периодически расположенных микроскопических каналов (капилляров) (рис. 1). Эти каналы, расположенные по всей длине волокна, локально уменьшают показатель преломления вокруг сердцевины и таким образом эффективно заменяют оболочку нормального волокна. Также как и в объемных фотонных кристаллах с трехмерной периодической структурой, период и характерный размер элементов структуры волокна должны быть близки или даже намного меньше длин волн видимого и инфракрасного излучения. Поэтому часто ко всему классу таких волокон используют термин «микроструктурированные волокна», а для их изготовления используют современные микро- и нанотехнологии.

По физическому механизму удержания света в сердцевине оптические волокна можно разделить на два больших класса. Первый класс образуют ФКВ со сплошной световедущей жилой. Такие волокна представляют собой кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами. Волноводные свойства таких световодов обеспечиваются одновременно двумя эффектами: полного внутреннего отражения, как в обычных световодах, и зонными свойствами фотонного кристалла.

Рис. 1. Поперечное сечение фотонно-кристаллических волокон.

а)        поперечное сечение ФКВ со сплошной световедущей жилой в центре;

б)        поперечное сечение ФКВ с полой световедущей жилой.

Второй класс образуют волокна с фотонной запрещенной зоной в заданном диапазоне длин волн оптического излучения. В этом случае свет может распространяться по сердцевине волокна с показателем преломления меньшим, чем средний показатель преломления оболочки. Таким образом, возможно распространение света даже в полой сердцевине (рис. 1 б), что позволяет на несколько порядков увеличить мощность вводимого в них излучения и уменьшить потери и нелинейные эффекты.

Рис. .2. Структура ФКВ с сильной нелинейностью. Такие волокна характеризуются большим размером отверстий, тонкими кварцевыми перегородками и малым диаметром сердцевины.

Среди ФКВ можно выделить отдельный класс волокон, обладающих высокой нелинейностью. Если увеличивать размер воздушных трубок, то контраст показателей преломления сердцевины и оболочки быстро возрастает. Это позволяет уменьшать размер сердцевины (рис. .2), тем самым, увеличивая концентрацию мощности светового излучения и, следовательно, нелинейные свойства волокна.

Рис. 3. Принципиальная схема установки для вытяжки волокна.

Технология изготовления оптических волокон с фотонно-кристаллической структурой

Фотонно-кристаллическое волокно вытягивается из специальной заготовки, которая может быть сделана путем совмещения чистых кварцевых капиллярных трубок с цельным кварцевым стержнем, расположенным вдоль оси заготовки, что позволяет сформировать сердцевину канального волокна. Поперечное сечение такой заготовки представляет увеличенную в сотни раз модель фотонно-кристаллического волокна. Для формирования цельной заготовки центрированный набор кварцевых капиллярных трубок и стержней нагревают в специальном тигле до 2000 °С — температуры, когда кварцевое стекло ста­новится мягким. Все элементы сплавляются вместе и вытягиваются через отверстие в дне тигля, формируя заготовку в виде стержня диаметром около 1 мм с воздушными капиллярами диаметром менее 0,05мм. Затем эта готовая стержневая заготовка  вытягивается в волокно. Это происходит в специальной вытяжной башне (рис. 3).

Процесс вытягивания начинается наверху башни, где стержневая заготовка зажимается в центрирующем патроне. Нижний конец заготовки подается в электрическую печь, где он нагревается до температуры чуть больше 2000 °С. Графитовый нагревательный элемент защищен средой из инертного газа аргона. Заготовка медленно опускается в печь, а в это же самое время из нее вниз выходит вытягиваемое из заготовки волокно. Скорость вытягивания и скорость подачи автоматически контролируются с помощью компьютера.

Формирование фотонной запрещенной зоны с помощью субмикронных брэгговских решеток

С практической точки зрения наибольший интерес представляет использование распределенных брэгговских отражателей (РБО) для формирования одномерных ФЗЗ-структур в волоконных и канальных световодах. РБО являются одномерными периодическими оптическими структурами и используются в качестве многослойных зеркал, компрессоров оптических импульсов, узкополосных фильтров, оптических ограничителей и переключателей, логических элементов, компактных преобразователей частоты и компенсаторов хроматической дисперсии в системах дальней волоконно-оптической связи.