Brevet FR2660800A1 — publié le 19911011

DISPOSITIF DE JONCTION JOSEPHSON ET PROCEDE POUR REALISER CELUI-CI La présente invention concerne un dispositif de jonction Josephson, ainsi qu'un procédé pour fabriquer ledit dispositif, et, plus particulièrement, un procédé pour fabriquer le dispositif par un écrouissage des fils supraconducteurs à température critique Tc haute à base de Bi. L'effet Josephson, observé dans une structure de type supraconducteurisolant-supraconducteur (SIS) en sandwich, est que le courant de supraconductivité passe d'un côté de la structure à l'autre sans aucune influence de la couche isolante intermédiaire Cela signifie qu'il ne se produit pas de chute de tension dans la structure tant que l'intensité croissante du courant de polarisation n'a pas atteint une valeur critique Le dispositif de jonction Josephson est par nature un élément de commutation ultra-rapide, et, par conséquent, les systèmes logiques à jonctions Josephson sont promis à un grand avenir dans les superordinateurs de la prochaine génération La technique de fabrication du dispositif de jonction Josephson a été mise au point à l'aide de supraconducteurs dits basse Tc. Puisqu'il existe des différences dans les propriétés des matériaux pour les supraconducteurs haute Tc et basse Tc, la technique basse Tc ne peut pas être directement appliquée aux supraconducteurs haute Tc Les supraconducteurs haute Tc sont poreux et ont une très courte longueur de cohérence, si bien qu'il a été très difficile de fabriquer avec une bonne maîtrise une couche isolante de quelques nanomètres d'épaisseur. Par conséquent, au lieu d'une structure SIS, des structures telles qu'un micropont, un contact de surface et un contact ponctuel ont été essayées pour obtenir l'effet Josephson dans les supraconducteurs haute Tc. La technique de fabrication d'un dispositif de jonction Josephson a été mise au point à partir des supraconducteurs basse Tc J H Greiner et autres en présentent un exemple représentatif dans I Ames, IBM J Res Develop, 24 ( 2) (mars 1980), pp 195 à 204 et pp 188 à 194 Considérant maintenant les dessins, et en particulier la Fig 1 qui est une coupe transversale schématique du dispositif de jonction Josephson de celui-ci, des couches supraconductrices de Pb-In-Au(M 2) et de Pb-Bi(M 3) et une couche isolante de Pb O+In 203 (M 4) réalisée par croissance sur M 2 servent à former le dispositif de jonction Josephson La couche M 2 est formée en déposant successivement, par évaporation, des pellicules d'Au ( 4,5 nm), Pb ( 160 nm) et In ( 35 nm) Les trois pellicules interdiffusent facilement à la température ambiante en formant un alliage La couche d'In 2 03 est formée sur la couche M 2 à une pression d'O 2 de 2,7 Pa, d'abord à 240 C puis à 75 'C, respectivement pendant trente minutes, par traitement thermique ou par oxydation HF. La couche M 3 est déposée in situ après la formation de la couche M 2 par co-évaporation à partir d'une source de l'alliage Pb-Bi ( 29 % en poids). Cependant, il est très difficile d'utiliser le procédé ci- dessus pour fabriquer un supraconducteur haute Tc, car le supraconducteur est un oxyde et, par conséquent, il est poreux et contient beaucoup d'impuretés En outre, il est également très difficile de former d'une façon uniforme une couche isolante de quelques nanomètres d'épaisseur. D'autres procédés classiques de fabrication d'un dispositif de jonction Josephson avec un supraconducteur haute Tc sont illustrés sur la Fig 2 qui représente la fabrication de cinq types de liaisons supraconductrices faibles. La Fig 2 (a) représente un exemple de contact ponctuel. Une aiguille de niobium (d'environ 2 mm de diamètre), dont la pointe est effilée à un diamètre maximal de 0,1 mm, est appuyée sur la surface d'une composition de Ba Y Cu O en vrac. Bien qu'on ne le voie pas sur la figure, l'aiguille de niobium est fixée à une plaque de bronze au phosphore qui agit comme un ressort La pression de contact de la liaison faible est réglable à l'aide du ressort Le procédé de contact ponctuel ci-dessus est décrit dans Appl Phys Lett, 51 ( 7) ( 17 août 1987), pp 540-541 (par John Moreland et autres). La Fig 2 (b) représente un exemple de contact bord à bord. Une composition de Ba Ycu O est coupée en deux morceaux Les bords frais de ces morceaux sont appuyés l'un contre l'autre à l'aide d'un dispositif spécial Le procédé de contact bord à bord ci-dessus est décrit dans Jap J Appl Phys, 26 ( 5) ( 15 mai 1987), pp L 701 à 703 (par J S Tsal et autres). La Fig 2 (c) représente un exemple de contact de surface. Deux compositions de Ba Y Cu O en vrac sont serrées l'une contre l'autre par une vis fixée au-dessus de l'échantillon La zone de contact est d'environ 5 x 5 mm 2 Le procédé de contact de surface ci-dessus est présenté dans Appl Phys Lett, 56 ( 16) ( 1990), pp 1579 à 1581 (par Y Zhang et autres). La Fig 2 (d) représente un exemple de contact à l'indium. Un petit morceau d'indium est écrasé sur la surface de la composition de Ba Y Cu O en vrac L'indium pénètre par écrasement à l'intérieur de la composition de Ba Y Cu O grâce à la malléabilité et à la porosité de la composition de Ba Y Cu O granulée et frittée La zone de contact est d'environ 3 mm'. Le procédé de contact à l'indium ci-dessus est décrit dans Solid State Comm, 70 ( 11) ( 1989), pp 1055-1058 (par G. Briceno et autres). La Fig 2 (e) représente un exemple de contact par fissure. Une composition de Ba Y Cu O en vrac est coupée et séparée en deux morceaux dans l'environnement ambiant Les deux morceaux sont accolés l'un à l'autre de façon que leur aspect extérieur reste identique à celui d'un seul morceau initial de l'échantillon avant qu'il ne soit coupé Le morceau entier de l'échantillon est comprimé des deux côtés par une vis La zone de contact est d'environ 1 x 4 mm 2 Le procédé de contact par fissure ci-dessus est décrit dans Japan J Appl Phys 27 ( 7) (juillet 1988), pp L 1204 et 1205 (par A Z Lin et autres). La Fig 2 (f) représente un exemple de contact en pont La liaison faible est formée en réalisant un pont par le procédé du Patterning Ce procédé est celui qui a été le plus largement utilisé et il est décrit dans Bull Electrotech. Lab, 51 ( 9) ( 1987), pp 671 à 679 (par T Endo et autres). Cependant, les techniques antérieures illustrées sur la Fig 2 sont des procédés expérimentaux De plus, la plupart d'entre eux ne présentent les caractéristiques Josephson qu'à 4,20 K En outre, il n'est pas facile de réaliser des dispositifs de jonctions Josephson ayant des caractéristiques uniformes, puisqu'ils ne présentent pas une grande reproductibilité. La présente invention vise donc à réaliser un dispositif de jonction Josephson qui soit plus simple du point de vue mécanique et qui ait une plus grande reproductibilité et une densité critique de courant plus élevée La présente invention vise également à réaliser un procédé pour la fabrication du dispositif de jonction Josephson. Les autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement de la description nullement limitative ci-après en référence au dessin annexé, sur lequel: la Fig 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif de jonction Josephson classique composé de supraconducteur basse Tc: la Fig 2 (a) est une vue schématique illustrant un procédé classique de contact ponctuel; la Fig 2 (b) est une vue schématique illustrant un procédé classique de contact bord à bord; la Fig 2 (c) est une vue schématique illustrant un procédé classique de contact de surface; la Fig 2 (d) est une vue schématique illustrant un procédé classique de contact à l'indium; la Fig 2 (e) est une vue schématique illustrant un procédé classique de contact par fissure; la Fig 2 (f) est une vue schématique illustrant un procédé classique de contact par pont; la Fig 3 est une courbe du rapport entre la température et la résistance du dispositif de jonction Josephson selon la présente invention; la Fig 4 est un graphique du rapport entre l'intensité et la tension du dispositif de jonction Josephson selon la présente invention; et la Fig 5 est une micrographie au MEB (x 20 000) 1 O représentant la seconde phase d'une partie noire. Dans la présente invention, la phase isolante existant dans le supraconducteur sert de couche isolante nécessaire pour la jonction Josephson La phase isolante est formée pendant le traitement thermique des supraconducteurs en céramique Par application d'un effort mécanique, les matériaux isolants sont pris en sandwich entre les phases supraconductrices Cette structure en sandwich peut servir de jonction Josephson. La présente invention utilise la nature polycristalline des supraconducteurs haute Tc en céramique qui contiennent généralement un grand nombre de limites de grains Si un effort mécanique est appliqué au matériau, les limites de grains commencent par se casser et la séparation entre les grains augmente Cette structure modifiée par l'application d'un effort se comporte comme une jonction Josephson. Les supraconducteurs haute Tc sont en céramique et ils se cassent facilement lorsqu'un effort mécanique est appliqué. Par conséquent, dans la présente invention, la technique de câblage classique est adaptée pour appliquer l'effort au supraconducteur Par exemple, un tube en argent rempli de poudre supraconductrice est étirée en un fil, puis le fil est écroui pour former une mince bande souple La bande contient la jonction Josephson. La présente invention concerne un dispositif de jonction Josephson à supraconducteurs haute Tc à base de Bi, caractérisé en ce qu'il comporte une phase supraconductrice haute Tc en Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3, une phase supraconductrice basse Tc en Bi 2 Sr 2 Cal Cu 3 et une seconde phase, ladite seconde phase étant une phase qui est une phase résiduelle distincte de ladite phase supraconductrice haute Tc et de ladite phase supraconductrice basse Te dudit dispositif, ladite seconde phase se comportant comme une couche isolante de jonction Josephson Ladite seconde phase peut être interprétée comme étant une limite de grains au sens strict, et elle peut également se comporter comme une couche isolante de jonction Josephson. La présente invention a aussi pour objet un procédé pour fabriquer un dispositif de jonction Josephson à supraconducteur haute Tc à base de Bi, qui comprend les étapes de réalisation d'un mélange stoechiométrique de supraconducteur haute Tc à base de Bi, de cuisson de ce mélange, de pulvérisation du mélange cuit, de frittage de la poudre obtenue par pulvérisation, d'étirage d'un tube rempli avec la poudre pour former un fil, d'écrouissage du fil pour former une bande, et de frittage de la bande. L'exemple ci-après vise uniquement à faciliter la compréhension de l'invention, et des variantes peuvent être apportées sans sortir ni du cadre ni de l'esprit de l'invention. Un mélange stoechiométrique (Bil Pbo, 4 Sr 2 Ca 2 Cu 30 y) de Bi 2 03, Pb O, Sr CO 3, Ca CO 3 et Cu O est cuit et fritté pendant 20 heures à 80 O'C à l'air Le matériau fritté est pulvérisé en poudre de calibre submicrométrique avec laquelle est rempli un tube en argent (de 6 mm de diamètre intérieur, 8 mm de diamètre extérieur, de 300 mm de longueur) Le tube en argent est étiré en un fil de 4 mm de diamètre extérieur Le fil, avec la poudre supraconductrice, est traité thermiquement pendant 80 heures à 8450 C Le fil est ensuite écroui en bande de 0,1 à 0,2 mm Cette bande est traitée thermiquement pendant heures à 845 C pour donner finalement la jonction Josephson Le supraconducteur en forme de bande contient un grand nombre de phases d'isolation qui servent de couches isolantes dans la jonction Josephson La caractéristique de tout l'échantillon est déterminée par la jonction qui a la densité critique de courant la plus faible. La jonction Josephson réalisée selon le procédé ci-dessus contient de nombreuses limites de grains qui se comportent comme des jonctions Josephson, et la caractéristique des échantillons obtenus est limitée par une jonction qui a la densité critique de courant la plus faible. La Fig 3 et la Fig 4 représentent les caractéristiques de la jonction Josephson fabriquée selon le procédé ci-dessus. La Fig 3 indique la résistance de la jonction en fonction de la température On notera que la résistance devient nulle à 87 K La Fig 4 indique la relation caractéristique entre l'intensité et la tension de la jonction, laquelle montre clairement l'effet Josephson La micrographie MEB (à un grossissement de x 20 000) de la Fig 5 montre l'existence de la seconde phase dans le dispositif selon la présente invention Les parties noires de la micrographie MEB sont au- dessus des limites de la seconde phase ou des grains qui servent de couches isolantes dans la jonction Josephson. La technique employée dans la présente invention présente des avantages tels qu'un procédé plus simple, une plus grande reproductibilité et une plus forte densité critique de courant que toutes les autres techniques classiques Par conséquent, cette technique est très intéressante pour des applications concrètes. Bien qu'une forme préférée de l'invention ait été décrite, il est évident que diverses variantes et modifications peuvent être apportées sans sortir du cadre ni de l'esprit de l'invention. s REVENDICATIONS 1 Procédé pour fabriquer un dispositif de jonction Josephson à supraconducteur haute Tc à base de Bi, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de réalisation d'un mélange stoechiométrique de supraconducteur haute Tc à base de Bi, de cuisson dudit mélange, de pulvérisation du mélange cuit, de frittage de la poudre obtenue par pulvérisation, d'étirage d'un tube rempli avec la poudre frittée pour former un fil, d'écrouissage du fil pour former une bande, et de frittage de la bande. 2 Procédé pour fabriquer un dispositif de jonction Josephson à supraconducteur haute Tc à base de Bi selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tube est en argent. 3 Procédé pour fabriquer un dispositif de jonction Josephson à supraconducteur haute Tc à base de Bl selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit mélange stoechiométrique de supraconducteur haute Tc à base de Bi a la composition Bi 6 Pb 4 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit mélange est un mélange de Bi 203, Pb O, Sr Co 3, Ca CO 3 et Cu O dont la stoechiométrie correspond à Bi 6 Pb 4 Sr 2 Ca 2 Cu 3 OY Dispositif de jonction Josephson à supraconducteur haute Tc à base de Bi, caractérisé par le fait qu'il est obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications précédentes. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte une phase dudit supraconducteur haute Tc, une phase supraconductrice basse Tc en Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu et une autre phase, ladite autre phase étant une phase résiduelle distincte de ladite phase supraconductrice haute Tc et de ladite phase supraconductrice basse Tc dudit dispositif, ladite autre phase se comportant comme une couche isolante de jonction Josephson. 7 Dispositif de jonction Josephson à supraconducteur haute Tc à base de Bi selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite autre phase est une limite de grains.