約瑟夫森結(jié)特性仿真及高溫超導(dǎo)本征結(jié)研究.pdf

1、摘要摘要作為超導(dǎo)電子技術(shù)的基礎(chǔ)，約瑟夫森結(jié)具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。利用低溫或者高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)可以實(shí)現(xiàn)混頻、太赫茲信號(hào)產(chǎn)生及檢測(cè)、高精度電壓標(biāo)準(zhǔn)和超高速數(shù)字電路等。本論文通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的相關(guān)特性和應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，其主要成果如下:1、首次建立了約瑟夫森結(jié)在電路仿真軟件PSpice中的模型，極大的方便了約瑟夫森結(jié)及相關(guān)電路的仿真研究。利用這一工具對(duì)約瑟夫森結(jié)的基本特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，包括1V特性

2、、負(fù)阻現(xiàn)象、微波感應(yīng)臺(tái)階、串聯(lián)約瑟夫森結(jié)的相位鎖定和量子干涉現(xiàn)象等。在對(duì)約瑟夫森結(jié)的微波感應(yīng)臺(tái)階進(jìn)行研究時(shí)，觀察到了亞諧波臺(tái)階的存在，給出亞諧波臺(tái)階高度對(duì)射頻電流幅度的依賴(lài)關(guān)系。2、采用軟件仿真的方法研究了約瑟夫森結(jié)及相關(guān)電路中的混沌行為，包括射頻輻射下電阻一電容并聯(lián)約瑟夫森結(jié)中的混沌行為、直流驅(qū)動(dòng)下電阻一電容一電感并聯(lián)約瑟夫森結(jié)中的混沌行為等。尤其是在對(duì)電容禍合的本征約瑟夫森結(jié)陣列進(jìn)行仿真研究時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了其中的時(shí)空混沌行為，并給出了

3、時(shí)空行為發(fā)展圖以及存在混沌的參數(shù)空間。3、對(duì)T12Ba2CaCu2O8高溫超導(dǎo)薄膜中的本征約瑟夫森效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用電壓源驅(qū)動(dòng)的方法，觀察到了本征約瑟夫森結(jié)陣列具有負(fù)阻特性的I一曲線。首次提出了一種新型負(fù)阻器件，設(shè)計(jì)并制作了最簡(jiǎn)單的并聯(lián)式負(fù)阻電流放大器。對(duì)放大器的測(cè)試表明它確實(shí)可以進(jìn)行信號(hào)電流的放大，而且放大倍數(shù)對(duì)負(fù)載電阻的依賴(lài)關(guān)系符合負(fù)阻的相關(guān)理論。4、采用濺射金膜并聯(lián)電阻的方法，研究了本征約瑟夫森結(jié)陣列在不同并聯(lián)電阻下的恒流特

4、性，首次提出了基于本征約瑟夫森效應(yīng)的新型兩端恒流器件。對(duì)恒流器件的負(fù)載特性進(jìn)行了測(cè)量，并研究了負(fù)載電阻大小、回路電感大小對(duì)器件恒流特性的影響。5、首次對(duì)傾斜生長(zhǎng)的T12Ba2CaCu208薄膜的快速反應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)量。采用電流源驅(qū)動(dòng)時(shí)，觀察到了IN特性曲線上跳變的存在采用電壓源驅(qū)動(dòng)時(shí)，觀察到了由于熱效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)阻行為。給薄膜施加方波電壓的測(cè)試表明，薄膜會(huì)在微秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)跳變到正常態(tài)，這與正常生長(zhǎng)的超導(dǎo)薄膜(毫秒量級(jí))不Abstract

5、AbstractAsthebasisforsuperconductingelectronicsJosephsonjunctionsareofgreatvalueinbothresearchandapplications.LowtemperatureorhightemperaturesuperconductingJosephsonjunctionscanbeusedinvariousfieldssuchasmixersTHzsignalg

6、eneratorreceiverultraprecisionvoltagestandardandrapiddigitalcircuits.Inthisthesisthepropertiesandapplicationsofhightemperaturesuperconducting(HTS)Josephsonjunctionswereinvestigatedbyusingsimulationandexperimentation.Them

7、ajorresultsareasfollows.1.AnovelmodelofJosephsonjunctioninthesoftwarePSpiceispresentedhereforthefirsttimewhichmakesJosephsonjunctionsandrelatedcircuitstobesimulatedeasily.Takingadvantageofthisnewmodelthebasicpropertiesof

8、JosephsonjunctionsincludingINcharacteristicsnegativedynamicresistanceShapirostepsphaselockingandsuperconductingquantuminterferencedevices(SQUID)weresystemicallyinvestigated.InthestudyofShapirostepsthesubharmonicstepswere

9、observedandthedependenceofstepheightonrfamplitudewasgivenhere2.ThechaoticbehaviorsofJosephsonjunctionsandtherelatedcircuitsincludingrfbiasedresistivelycapacitivelyshuntedjunction(RCSJ)modelanddcbiasedresistivelycapacitiv

10、elyinductivelyshuntedjunction(RCLSJ)modelwereinvestigatedusingsoftwaresimulationmethod.InthestudyofcapacitivelycoupledintrinsicJosephsonjunctionarraystheexistenceofspatiotemporalchaoswasfoundforthefirsttime.Thespatiotemp

11、oraldevelopmentpictureandtheparameterspacewherechaosemergesweregiveninthisthesis.3.ThepropertiesofT12Ba2CaCu20s(T12212)intrinsicJosephsonjunctionarrayswereinvestigatedexperimentally.Byusingvoltagesourcedrivingthenegative