Kurzfassung
Die Magnetfeldempfindlichkeit von supraleitenden Quanteninterferometern
(SQUIDs) kann durch verschiedene Konzepte soweit gesteigert werden, daß
die daraus entstehenden hochempfindlichen Magnetometer z.B. für
Anwendungen in der Medizin interessant werden.
Dabei ist es die Hauptaufgabe, das Eigenrauschen der Sensoren soweit zu
verringern, daß selbst sehr schwache Magnetfelder detektiert werden
können, die etwa eine Milliarde mal kleiner sind als das Erdfeld.
Die hier vorgestellten dc-SQUIDs aus dem Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7 werden mit Hilfe einer Mehrlagentechnologie unter dem Einsatz von Laserdeposition, konventioneller Photolithographie und Trockenätzen mit Ar+-Ionen hergestellt. Für hochempfindliche Magnetometer ist es erforderlich, die kleine feldempfindliche Fläche ohne Erhöhung der Induktivität des dc-SQUIDs zu vergrößern. Dazu werden 8 x 8 mm2 große, supraleitende Aufnehmerspulen verwendet, die entweder direkt oder induktiv über einen Flußtransformator an den SQUID angekoppelt werden.
Alle hergestellten Bauelemente werden durch Transport- und Rauschmessungen charakterisiert. Die speziellen elektrischen Eigenschaften der halbleitenden PbBa2Cu3O7-Barriere in den Josephson-Kontakten der dc-SQUIDs werden bei Temperaturen unterhalb von 77 K studiert. An den direktgekoppelten Magnetometern wird der Einfluß der Barrierendicke untersucht. Bei 77 K wird ein Wert des weißen Flußrauschens von 25 µPhi0/Hz0.5 erreicht. Unter Verwendung von Flußtransformatoren, die auf separaten Substraten präpariert und über dem SQUID fixiert werden, erreicht die effektive feldaufnehmende Fläche Werte von über 2 mm2. Rauschmessungen ergeben bei 77 K ein weißes Flußdichterauschen von 53 fT/Hz0.5. Im niederfrequenten Bereich zeigt sich eine Erhöhung des Rauschens, deren Ursachen mit Hilfe von temperaturabhängigen Rauschmessungen untersucht werden. Durch ein Modulationsverfahren des Biasstroms kann bei bestimmten Temperaturen der Beitrag des niederfrequenten Rauschens in den dc-SQUIDs vollständig und in den Magnetometern teilweise auf den Wert des weißen Rauschens unterdrückt werden. Bei der Frequenz von 1 Hz wird bei einer Temperatur von 85 K ein Wert des Flußdichterauschens von 200 fT/Hz0.5 erreicht.
The magnetic-field sensitivity in superconducting quantum interference devices (SQUIDs) can be enhanced by different concepts resulting in highly sensitive magnetometers, e.g. for medical applications. The main objective is to reduce the intrinsic noise of these sensors to be able to resolve even very small magnetic field changes which are a factor of a billion smaller compared to the earth's field.
The dc-SQUIDs presented in this work are made of the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7 employing a multilayer technology with laser deposition, conventional photolithography, and argon-ion dry-etching. For highly sensitive magnetometers, the small effective sensing area has to be extended without increasing the inductance of the dc-SQUID. For that purpose, the flux threading superconducting pick-up coils of 8 x 8 mm2 area is coupled into the SQUID either directly or inductively using a flux transformer.
All devices prepared in this work are characterized by transport and noise measurements. The specific properties of the semiconducting PrBa2Cu3O7 barrier used in the Josephson contacts of the dc-SQUIDs are studied at temperatures below 77 K. The influence of the barrier thickness is investigated using directly coupled magnetometers. At 77 K, for the flux noise in the white noise region a value of 25 µPhi0/Hz0.5 is attained. In combination with flux transformers prepared on different substrates and mounted on the SQUID, the effective sensing area can be enlarged up to more than 2 mm2. Noise measurements at 77 K show a white flux-densitiy noise down to 53 fT/Hz0.5. In the low-frequency region higher values of the noise can be observed. The reasons for such behavior are investigated employing temperature dependent noise measurements. Using a bias current modulation scheme, at certain temperatures the contribution of the low-frequency noise can be completely suppressed down to the white noise level for the dc-SQUIDs and partially for the magnetometers. For a frequency of 1 Hz and a temperature of 85 K, the flux-density noise shows a value down to 200 fT/Hz0.5.