文档介绍：最敏感的感测元件SQUID及其前瞻性应用
杨鸿昌
台大物理系教授
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1. 前言:
超导量子干涉元件(Superconducting Quantum Interference Device, 简称SQUID) 是目前所知最敏感的磁通侦测器,其独特的磁通与电压的周期特性,使得SQUID已被使用在精密测量,成为微弱物理量如磁场、磁场梯度、电流、电压、电阻、电感及磁化率等测量上最灵敏的感测元件。在生物医学应用上 SQUID更可组成心磁波及脑磁波扫描仪,可立即显示生物的心磁或脑磁图像,以做为医学在心脏功能[1]或脑功能[2]临床辅助诊断工具。在材料的非破坏性检测等方面,SQUID已被研发来检测桥梁钢骨结构[3]、飞机起轮框等缺陷[4];甚至最近已有人利用高温超导SQUID做地震[5]或考古[6]等的研究。另外,SQUID 可制成的磁通显微镜[7, 8]从事基础研究,及其在生物科技的抗体检测等[9]的研究上也有很广的前景。由以上看来,SQUID是一种非常有前瞻性之精密超导电子元件。
2. 认识SQUID
SQUID是由两个约瑟芬元件(Josephson junctions)以并联方式组成,它是由英文Superconducting Quantum Interference Device字首组成的简写字。图一所示为约瑟芬元件之示意图,而约瑟芬元件是由两边是超导体(S)中间夹着绝缘层(I)所组成的超导元件[10],当两个约瑟芬元件(Josephson junctions)以并联方式组成如图二所示的几何形状的元件,此元件俗称超导量子干涉元件或称之为SQUID [11]。当绝缘层的厚度薄到几埃厚度的时候,则超导电子对(Cooper pair)可由一边的超导体穿隧到另一边之超导体。宏观上超导体中的电子对可用波函数,Y = |Y|eif 来描述,此处|Y|为波函数的振幅,i =Ö -1,f为两超导体间的相位差,即f = f1 - f2 。此图中的Josephson公式,I = Ic sinf,是描述流经元件的电流I与两超导体间的相位角f 之间的关系,此处Ic为临界电流。当流经约瑟芬元件的电流大于Ic时,元件会出现电压,V,此时相位差f与电压V之间会满足另一Josephson公式,即df/dt = - 4peV/h,此处e 为电子的电量,h为Planck常数。这种超导电子对的穿隧行为是由英国科学家Brian Josephson 所预测的,他经由量子力学方程式推导出直流及交流约瑟芬效应,由于他在穿隧物理的杰出贡献,因此分享了1973年的诺贝尔物理学奖。
图一. 超导体(S)/绝缘层(I)/超导体(S),组成SIS几何形状的约瑟芬元件。
图二两个约瑟芬元件并联组成SQUID。
SQUID元件之制作:
现在以YBa2Cu3Oy (YBCO)高温超导体为例子来说明如何研制YBCO SQUID。基本上,高温超导SQUID是由各种不同几何形状约瑟芬元件所发展出来的,如图三所示的平面三明治、双磊晶、阶梯(step)、弱连结、双晶体及阶梯边缘(step-edge)等各种形式。高温超导SQUID较有前瞻性应用则是以双晶体、阶梯及阶梯边缘(step-edge)等元件。我们现在则以阶梯边界接面为例子来说明其制程。研制阶梯式YBCO SQUID先要把基座以半导体的曝光、显影及蚀刻等技术做出阶梯,图四所示为实验室所发展出来的阶梯式基座的制程及蚀刻结果[12]。MgO基座是藉由银胶与铜块接触达到水冷却的效果、MgO上面的FH6400 为光阻,基座的法线与入射Ar+离子方向之夹角,q,可改变,以改变蚀刻速率及阶梯角度。右上图四(b)是制程完成后经原子力显微镜检测其阶梯座角度与Ar+离子束入设角之关系,由图我们可以看出当入射角大于65°时,阶梯的角度可达70°; 图四(c)则是制作MgO阶梯,其蚀刻速率与q角之关系。图五所示为约瑟芬元件之制程,制程方法是在为MgO 阶梯式基座上镀上YBCO薄膜[13];镀完YBCO薄膜然后再以曝光、显影及蚀刻等技术做出阶梯边缘约瑟芬元件。图六为完成制程后SQUID元件之几何形状, mm, mm,元件宽度约为5 mm,SQUID洞的面积约为30´60 mm2等尺寸。
图三(a) 平面三明治,(b) 双磊晶,(c)
阶梯,(d) 弱链结构,(e) 双晶体,
及(f) 阶梯式等约瑟芬元件。
图四(a) 可改变Ar+离子入射角度 q 的旋转铜样品架, (b) 阶梯式基座角度与入设角之关系,(c) 阶梯蚀刻速率与q角之关系。
图五.(a)在MgO 阶梯式基座上镀上YBCO 薄膜;(b) 将YBCO薄膜以曝光、显影及蚀刻等