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Conception de capteurs supraconducteurs destinés à des mesures radio astronomiques : élaboration et caractérisation de jonctions tunnel en niobium aluminium

Thomas Lehnert

Published Jan 1, 1994• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Les jonctions SIS ( Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur ) sont employees dans les recepteurs radio astronomiques comme melangeur en hyperfrequence. Dans cette these, nous resumons d'abord les bases theoriques pour la comprehension du principe et des particularites d'un capteur SIS. Nous avons fabrique des jonctions tunnel de tres petite surface formees d'electrodes en niobium et d'une barriere tunnel en oxyde d'aluminium. Une tâche majeure de ce travail reside dans l'etude des proprietes des materiaux figurant dans l'elaboration des elements SIS et de leurs incidences sur les courbes I(V). Notamment nous examinons l'effet de proximite lie a une couche intermediaire d'aluminium. Les tricouches sont caracterisees a l'aide de l'oxydation anodique. Le principe de cette methode ainsi que les courbes d'anodisation sont presentes. Le comportement de ces jonctions au cours de traitements thermiques a ete etudie. Nous avons montre que la densite de courant de la jonction peut etre reduite lors du recuit. Ceci represente d'important d'avantages sur le plan pratique. Les resultats des tests en hyperfrequences obtenus dans les domaines frequentiels autour de 100, de 230 et de 350 GHz sont presentes. Dans les elements SIS destines aux recepteurs a structure ouverte, les jonctions tunnel s'integrent dans une structure d'accord fixe. Dans ces dispositifs nous avons observe un effet de resonance provoque par l'oscillation Josephson. Cet effet se manifeste par l'apparition de branches sur les courbes I(V). Finalement nous discutons de la realisation des jonctions tunnel avec une electrode conductrice normale. Ses avantages et ses inconvenients par rapport aux jonctions SIS sont evoques.

Related papers

L'etude et le developpement des melangeurs a jonction sis pour la radioastronomie millimetrique et submillimetrique

А. В. Карпов

La radioastronomie millimetrique et submillimetrique est un domaine specifique, ou il est necessaire d'utiliser des recepteurs au bruit extremement faible. Le fait que les objets d'observation se trouvent sur un fond tres froid est a l'origine de ce besoin. Le prix eleve et la difficulte de construction des radiotelescopes doivent etre valorises par l'usage des recepteurs d'une sensibilite adequate. Au debut de notre travail sur l'amelioration de sensibilite des recepteurs a l'institut de radioastronomie millimetrique (iram), nous avons constate que le temps des observations sur nos 80-370 ghz radiotelescopes ete fortement rallonge par les recepteurs tandis que leur bruit ete superieur de 10 a 20 k. Ce travail presente notre etude des recepteurs heterodynes et a detection directe avec des jonctions supraconducteur-isolant-supraconducteur (sis) pour une application en radioastronomie. L'etude a ete concentree sur la modelisation et l'optimisation des melangeurs sis a la jonction en nb et nbn. Nous avons aussi etudie dans la bande submillimetrique, un recepteur a jonction supraconducter-isolant-conducteur normal-supraconducteur (sins) libre des courants de josephson. Le bruit d'un recepteur developpe lors de notre travail pour la premiere fois dans le domaine radio a atteint un niveau seulement trois fois superieure a la limite quantique. Le bruit minimum des recepteurs des bandes 0. 8 mm, 1. 3 mm, 2 mm, 3 mm se situe entre 19 et 22 k. Sur les 7 antennes de l'iram et du sest ses 20 nouveaux recepteurs sis ont ete equipes. Pour la premiere fois un recepteur sis faible bruit a ete developpe avec des jonctions en nbn

•Jan 1, 1996•0 citations

Etude et realisation de jonctions sis a base de nitrure de niobium et d'une barriere tunnel adaptee permettant la montee aux frequences thz des instruments heterodynes

Vincent Larrey

Pour preparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, les melangeurs utilisant des jonctions josephson supraconducteur / isolant / supraconducteur (sis) de type nbn/mgo/nbn ou nbn/a1n/nbn presentent un grand interet dans l'optique de la montee en frequence des instruments heterodynes. Ce memoire presente l'etude, la fabrication et la qualification de dispositifs a base de jonctions sis en nitrure de niobium. Ce travail comprend une partie de caracterisation electrique et structurale de films minces nbn obtenus par pulverisation cathodique reactive et qui aboutit a la determination de conditions optimales de depot. La fabrication de jonctions josephson nbn/mgo/nbn de petite surface (1 m 2) et de fortes densites de courant (>10 ka. Cm 2) est ensuite etudiee de facon a obtenir une technologie fiable et une bonne reproductibilite des parametres geometriques et electriques. Associe a la caracterisation i(v), un procede de traitement thermique permet le controle des densites de courant critique et l'amelioration de la qualite des dispositifs. La premiere qualification a 300 ghz de notre technologie donne une temperature de bruit de recepteur de 726 k ; mais au dela de ce resultat, la qualite des caracteristiques electriques de nos films nbn et des courbes i(v) statiques sont prometteuses pour des applications a des frequences proches du thz.

•Jan 1, 1998•1 citation

Fabrication de jonctions sis pour le recepteur heterodyne de l'instrument ballon pirog 8

Sébastien George

Ce manuscrit presente la fabrication de jonction supraconducteur / isolant / supraconducteur (s. I. S. ) de type niobium / oxyde d'aluminium / niobium pour le recepteur heterodyne submillimetrique de l'experience pirog 8. Apres avoir aborde les bases theoriques developpees par un certain nombre d'auteurs autour de ces composants supraconducteurs, le procede de fabrication de ces jonctions est decrit en soulignant les points critiques de certaines operations. Des ameliorations sont apportees au procede de fabrication de base dans le but de fiabiliser ces composants. La qualite des nombreuses jonctions fabriquees est ensuite analysee au travers d'un echantillon statistique des mesures effectuees, cette analyse mettant en evidence les points critiques soulignes precedemment. Apres la presentation des differents dispositifs utilises pour la mesure des caracteristiques courant / tension des jonctions fabriquees, les bases theoriques du fonctionnement des lignes supraconductrices sont presentees pour le calcul des geometries des circuits d'accord resonants necessaires a l'utilisation des jonctions sis aux frequences submillimetriques. La frequence des pics de resonance observes sur les caracteristiques courant / tension d'un certain nombre de jonctions sont alors comparees aux frequences de resonances calculees. La derniere partie presente l'utilisation de ces jonctions pour le recepteur 547 ghz de l'experience kao au jpl ainsi que pour le recepteur heterodyne a 440 ghz de l'experience pirog 8. Le vol ballon de l'experience pirog 8 permet de conclure ces travaux.

•Jan 1, 1997•0 citations

Un micro-bolomètre supraconducteur: de la conception à l'utilisation au laboratoire

Jonathan Graveline

Pour augmenter sa compréhension du monde qui l’entoure, le physicien moderne ne cesse de travailler au développement d’outils théoriques ou expérimentaux pour l’aider à répondre à ses questions fondamentales. Une partie de ces chercheurs tente de répondre à une question bien définie, mais simultanément très vague : qu’est-ce que le bruit électro- nique? Guidés par cette idée, certains étudient des dispositifs comme la jonction tunnel ou la jonction Josephson, alors que d’autres travaillent à l’amélioration des méthodes de détection du bruit. Le présent mémoire de maîtrise traite donc de la conception d’un outil de détection bien particulier, le micro-bolomètre supraconducteur de niobium-titane-niobium. La théorie derrière le fonctionnement d’un tel dispositif est expliquée à l’aide d’une comparaison entre un bolomètre conventionnel et un bolomètre supraconducteur. Des concepts comme la sensibilité d’un détecteur, la conductance thermique et la méthode d’utilisation sont présentés. Les étapes du procédé de fabrication sont ensuite explicitées dans les moindres détails. Finalement, les propriétés électroniques d’un tel micro-bolomètre sont analysées à l’aide de la courbe caractéristique courant-tension, de la courbe de transition supraconductrice en température et de dfférentes mesures en réflectométrie. La puissance équivalente de bruit (NEP) mesurée est de l’ordre de 10[indice supérieur −17] W/√Hz et le temps caractéristique de détection est de 1.43 μs. Le dispositif présenté dans ce mémoire a un avantage important par rapport aux bolomètres supraconducteurs généralement utilisés : il ne nécessite pas de courant de polarisation continu pour le mettre en fonctionnement. Ceci peut résulter en divers avantages technologiques.

•Jan 1, 2016•0 citations

Melangeurs sis pour la radioastronomie submillimetrique : nouveaux aspects theoriques et resultats experimentaux

Pascal Febvre

Les recepteurs heterodynes utilisant des jonctions sis (supraconducteur-isolant-supraconducteur) sont actuellement les plus performants pour detecter des signaux faibles dans le domaine des longueurs d'onde submillimetriques. Tout d'abord, une nouvelle formulation de la theorie de tucker utilisant la geometrie analytique est presentee pour comprendre le fonctionnement quantique des melangeurs a jonctions sis et pour expliquer un certain nombre de leurs proprietes. Il est alors possible de deduire, pour chaque frequence, les valeurs optimales des parametres du circuit d'adaptation, de la tension de polarisation et de la puissance d'oscillateur local qui permettent d'atteindre la sensibilite maximale. Pour obtenir les meilleures performances, il est necessaire de compenser la forte capacite intrinseque de la jonction sis. Ceci est accompli par des circuits micro-ondes distribues constitues de lignes de transmission supraconductrices. Plusieurs modeles ont ete developpes pour calculer les proprietes de lignes de transmission supraconductrices en technologie microruban et coplanaire. Ils utilisent l'approximation quasi-statique et prennent en compte les pertes et la dispersion au-dessus de la frequence de gap des supraconducteurs. Ils sont valables pour les metaux normaux et les supraconducteurs a haute temperature critique. La conception et les performances de deux recepteurs sis developpes dans le cadre de ce travail, et centres sur 380 et 547 ghz respectivement, est ensuite presentee. Nous mettons alors en evidence les limitations de performance theoriques et experimentales pour les frequences superieures a la frequence de gap du supraconducteur utilise. Enfin, certains compromis importants a effectuer pour obtenir des recepteurs sis performants et stables, en vue d'une utilisation future dans l'espace, sont presentes. Nous faisons alors une analyse prospective des performances attendues jusqu'a 1,2 thz pour des recepteurs utilisant le niobium et le nitrure de niobium

•Jan 1, 1995•0 citations

Etude theorique et experimentale de l'influence de l'effet josephson sur les performances a haute frequence d'un melangeur a jonction supraconductrice

Brigitte Léridon

Ce travail, centre autour de la comprehension du comportement a haute frequence (proche de la frequence de gap) d'un melangeur a jonction supraconducteur/isolant/supraconducteur (sis), comporte deux themes: l'intervention des courants josephson dans le fonctionnement du melange (bruit, pertes), et l'effet des processus d'absorption pour une frequence superieure au gap. La theorie de la supraconductivite de bardeen, cooper et schrieffer est rappelee au chapitre 2 et le fonctionnement d'un melangeur a jonction sis est decrit de maniere theorique et experimentale au chapitre 3. Des experiences mettant en lumiere le bruit ramene dans le processus de melange par des courants josephson parasites ont ete effectuees: ce bruit supplementaire se traduit par des pics de puissance de forme particuliere au voisinage des tensions de shapiro. Au chapitre 4 sont enumeres les problemes engendres par la presence de courants josephson dans un melangeur a quasiparticules ; les solutions utilisables (imposition d'un champ magnetique) sont donnees ainsi que leurs limitations. Enfin, le bruit engendre dans le melangeur par des courants josephson mal annules est calcule au voisinage des marches de shapiro et des simulations numeriques montrent qu'il n'est pas negligeable devant le bruit produit par les courants de quasiparticules. Il est prouve egalement que la part de bruit josephson dans le bruit total augmente avec la frequence de detection. La forme des pics de puissance de bruit est justifiee de maniere theorique. La contribution des courants josephson aux proprietes de conversion du melange est egalement discutee. Au chapitre 5 est decrite une methode systematique d'annulation du courant josephson dans les reseaux de jonctions en serie, qui fournit egalement une methode de caracterisation de ces reseaux du point de vue de leur homogeneite de surfaces et densites de courant critique. L'effet d'une radiation de frequence superieure au gap est discutee au chapitre 6 et des solutions technologiques sont donnees pour l'operation de jonctions au nb jusqu'au thz

•Jan 1, 1994•0 citations
Les jonctions SIS ( Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur ) sont employees dans les recepteurs radio astronomiques comme melangeur en hyperfrequence. Dans cette these, nous resumons d'abord les bases theoriques pour la comprehension du principe et des particularites d'un capteur SIS. Nous avons fabrique des jonctions tunnel de tres petite surface formees d'electrodes en niobium et d'une barriere tunnel en oxyde d'aluminium. Une tâche majeure de ce travail reside dans l'etude des proprietes des materiaux figurant dans l'elaboration des elements SIS et de leurs incidences sur les courbes I(V). Notamment nous examinons l'effet de proximite lie a une couche intermediaire d'aluminium. Les tricouches sont caracterisees a l'aide de l'oxydation anodique. Le principe de cette methode ainsi que les courbes d'anodisation sont presentes. Le comportement de ces jonctions au cours de traitements thermiques a ete etudie. Nous avons montre que la densite de courant de la jonction peut etre reduite lors du recuit. Ceci represente d'important d'avantages sur le plan pratique. Les resultats des tests en hyperfrequences obtenus dans les domaines frequentiels autour de 100, de 230 et de 350 GHz sont presentes. Dans les elements SIS destines aux recepteurs a structure ouverte, les jonctions tunnel s'integrent dans une structure d'accord fixe. Dans ces dispositifs nous avons observe un effet de resonance provoque par l'oscillation Josephson. Cet effet se manifeste par l'apparition de branches sur les courbes I(V). Finalement nous discutons de la realisation des jonctions tunnel avec une electrode conductrice normale. Ses avantages et ses inconvenients par rapport aux jonctions SIS sont evoques.
La radioastronomie millimetrique et submillimetrique est un domaine specifique, ou il est necessaire d'utiliser des recepteurs au bruit extremement faible. Le fait que les objets d'observation se trouvent sur un fond tres froid est a l'origine de ce besoin. Le prix eleve et la difficulte de construction des radiotelescopes doivent etre valorises par l'usage des recepteurs d'une sensibilite adequate. Au debut de notre travail sur l'amelioration de sensibilite des recepteurs a l'institut de radioastronomie millimetrique (iram), nous avons constate que le temps des observations sur nos 80-370 ghz radiotelescopes ete fortement rallonge par les recepteurs tandis que leur bruit ete superieur de 10 a 20 k. Ce travail presente notre etude des recepteurs heterodynes et a detection directe avec des jonctions supraconducteur-isolant-supraconducteur (sis) pour une application en radioastronomie. L'etude a ete concentree sur la modelisation et l'optimisation des melangeurs sis a la jonction en nb et nbn. Nous avons aussi etudie dans la bande submillimetrique, un recepteur a jonction supraconducter-isolant-conducteur normal-supraconducteur (sins) libre des courants de josephson. Le bruit d'un recepteur developpe lors de notre travail pour la premiere fois dans le domaine radio a atteint un niveau seulement trois fois superieure a la limite quantique. Le bruit minimum des recepteurs des bandes 0. 8 mm, 1. 3 mm, 2 mm, 3 mm se situe entre 19 et 22 k. Sur les 7 antennes de l'iram et du sest ses 20 nouveaux recepteurs sis ont ete equipes. Pour la premiere fois un recepteur sis faible bruit a ete developpe avec des jonctions en nbn
Pour preparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, les melangeurs utilisant des jonctions josephson supraconducteur / isolant / supraconducteur (sis) de type nbn/mgo/nbn ou nbn/a1n/nbn presentent un grand interet dans l'optique de la montee en frequence des instruments heterodynes. Ce memoire presente l'etude, la fabrication et la qualification de dispositifs a base de jonctions sis en nitrure de niobium. Ce travail comprend une partie de caracterisation electrique et structurale de films minces nbn obtenus par pulverisation cathodique reactive et qui aboutit a la determination de conditions optimales de depot. La fabrication de jonctions josephson nbn/mgo/nbn de petite surface (1 m 2) et de fortes densites de courant (>10 ka. Cm 2) est ensuite etudiee de facon a obtenir une technologie fiable et une bonne reproductibilite des parametres geometriques et electriques. Associe a la caracterisation i(v), un procede de traitement thermique permet le controle des densites de courant critique et l'amelioration de la qualite des dispositifs. La premiere qualification a 300 ghz de notre technologie donne une temperature de bruit de recepteur de 726 k ; mais au dela de ce resultat, la qualite des caracteristiques electriques de nos films nbn et des courbes i(v) statiques sont prometteuses pour des applications a des frequences proches du thz.
Ce manuscrit presente la fabrication de jonction supraconducteur / isolant / supraconducteur (s. I. S. ) de type niobium / oxyde d'aluminium / niobium pour le recepteur heterodyne submillimetrique de l'experience pirog 8. Apres avoir aborde les bases theoriques developpees par un certain nombre d'auteurs autour de ces composants supraconducteurs, le procede de fabrication de ces jonctions est decrit en soulignant les points critiques de certaines operations. Des ameliorations sont apportees au procede de fabrication de base dans le but de fiabiliser ces composants. La qualite des nombreuses jonctions fabriquees est ensuite analysee au travers d'un echantillon statistique des mesures effectuees, cette analyse mettant en evidence les points critiques soulignes precedemment. Apres la presentation des differents dispositifs utilises pour la mesure des caracteristiques courant / tension des jonctions fabriquees, les bases theoriques du fonctionnement des lignes supraconductrices sont presentees pour le calcul des geometries des circuits d'accord resonants necessaires a l'utilisation des jonctions sis aux frequences submillimetriques. La frequence des pics de resonance observes sur les caracteristiques courant / tension d'un certain nombre de jonctions sont alors comparees aux frequences de resonances calculees. La derniere partie presente l'utilisation de ces jonctions pour le recepteur 547 ghz de l'experience kao au jpl ainsi que pour le recepteur heterodyne a 440 ghz de l'experience pirog 8. Le vol ballon de l'experience pirog 8 permet de conclure ces travaux.
Pour augmenter sa compréhension du monde qui l’entoure, le physicien moderne ne cesse de travailler au développement d’outils théoriques ou expérimentaux pour l’aider à répondre à ses questions fondamentales. Une partie de ces chercheurs tente de répondre à une question bien définie, mais simultanément très vague : qu’est-ce que le bruit électro- nique? Guidés par cette idée, certains étudient des dispositifs comme la jonction tunnel ou la jonction Josephson, alors que d’autres travaillent à l’amélioration des méthodes de détection du bruit. Le présent mémoire de maîtrise traite donc de la conception d’un outil de détection bien particulier, le micro-bolomètre supraconducteur de niobium-titane-niobium. La théorie derrière le fonctionnement d’un tel dispositif est expliquée à l’aide d’une comparaison entre un bolomètre conventionnel et un bolomètre supraconducteur. Des concepts comme la sensibilité d’un détecteur, la conductance thermique et la méthode d’utilisation sont présentés. Les étapes du procédé de fabrication sont ensuite explicitées dans les moindres détails. Finalement, les propriétés électroniques d’un tel micro-bolomètre sont analysées à l’aide de la courbe caractéristique courant-tension, de la courbe de transition supraconductrice en température et de dfférentes mesures en réflectométrie. La puissance équivalente de bruit (NEP) mesurée est de l’ordre de 10[indice supérieur −17] W/√Hz et le temps caractéristique de détection est de 1.43 μs. Le dispositif présenté dans ce mémoire a un avantage important par rapport aux bolomètres supraconducteurs généralement utilisés : il ne nécessite pas de courant de polarisation continu pour le mettre en fonctionnement. Ceci peut résulter en divers avantages technologiques.
Les recepteurs heterodynes utilisant des jonctions sis (supraconducteur-isolant-supraconducteur) sont actuellement les plus performants pour detecter des signaux faibles dans le domaine des longueurs d'onde submillimetriques. Tout d'abord, une nouvelle formulation de la theorie de tucker utilisant la geometrie analytique est presentee pour comprendre le fonctionnement quantique des melangeurs a jonctions sis et pour expliquer un certain nombre de leurs proprietes. Il est alors possible de deduire, pour chaque frequence, les valeurs optimales des parametres du circuit d'adaptation, de la tension de polarisation et de la puissance d'oscillateur local qui permettent d'atteindre la sensibilite maximale. Pour obtenir les meilleures performances, il est necessaire de compenser la forte capacite intrinseque de la jonction sis. Ceci est accompli par des circuits micro-ondes distribues constitues de lignes de transmission supraconductrices. Plusieurs modeles ont ete developpes pour calculer les proprietes de lignes de transmission supraconductrices en technologie microruban et coplanaire. Ils utilisent l'approximation quasi-statique et prennent en compte les pertes et la dispersion au-dessus de la frequence de gap des supraconducteurs. Ils sont valables pour les metaux normaux et les supraconducteurs a haute temperature critique. La conception et les performances de deux recepteurs sis developpes dans le cadre de ce travail, et centres sur 380 et 547 ghz respectivement, est ensuite presentee. Nous mettons alors en evidence les limitations de performance theoriques et experimentales pour les frequences superieures a la frequence de gap du supraconducteur utilise. Enfin, certains compromis importants a effectuer pour obtenir des recepteurs sis performants et stables, en vue d'une utilisation future dans l'espace, sont presentes. Nous faisons alors une analyse prospective des performances attendues jusqu'a 1,2 thz pour des recepteurs utilisant le niobium et le nitrure de niobium
Ce travail, centre autour de la comprehension du comportement a haute frequence (proche de la frequence de gap) d'un melangeur a jonction supraconducteur/isolant/supraconducteur (sis), comporte deux themes: l'intervention des courants josephson dans le fonctionnement du melange (bruit, pertes), et l'effet des processus d'absorption pour une frequence superieure au gap. La theorie de la supraconductivite de bardeen, cooper et schrieffer est rappelee au chapitre 2 et le fonctionnement d'un melangeur a jonction sis est decrit de maniere theorique et experimentale au chapitre 3. Des experiences mettant en lumiere le bruit ramene dans le processus de melange par des courants josephson parasites ont ete effectuees: ce bruit supplementaire se traduit par des pics de puissance de forme particuliere au voisinage des tensions de shapiro. Au chapitre 4 sont enumeres les problemes engendres par la presence de courants josephson dans un melangeur a quasiparticules ; les solutions utilisables (imposition d'un champ magnetique) sont donnees ainsi que leurs limitations. Enfin, le bruit engendre dans le melangeur par des courants josephson mal annules est calcule au voisinage des marches de shapiro et des simulations numeriques montrent qu'il n'est pas negligeable devant le bruit produit par les courants de quasiparticules. Il est prouve egalement que la part de bruit josephson dans le bruit total augmente avec la frequence de detection. La forme des pics de puissance de bruit est justifiee de maniere theorique. La contribution des courants josephson aux proprietes de conversion du melange est egalement discutee. Au chapitre 5 est decrite une methode systematique d'annulation du courant josephson dans les reseaux de jonctions en serie, qui fournit egalement une methode de caracterisation de ces reseaux du point de vue de leur homogeneite de surfaces et densites de courant critique. L'effet d'une radiation de frequence superieure au gap est discutee au chapitre 6 et des solutions technologiques sont donnees pour l'operation de jonctions au nb jusqu'au thz