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超导体以其在科学上和技术上的重大意义已经获得了广泛的关注和研究,但常规超导体极低的工作温度(液氦温度)限制了超导体的应用和发展。可以工作在液氮温度下的高温超导体的发现,大大降低了超导体的应用难度和成本,也加速了超导技术实际应用的步伐。
超导体的应用可以分为强电应用和弱电应用两个领域,强电应用试图利用超导体的零电阻特性传输电力,超导体的临界电流密度和块材、带材的质量成为其关键指标;弱电应用则主要是利用超导体的一些特殊性质制备新型电子元件,发展超导电子技术。约瑟夫森结是超导电子元件中极为重要的一种,以低温或者高温超导约瑟夫森结为基础制备的一系列电子元件可以实现混频、太赫兹信号产生及检测、高精度电压标准和超高速数字电路等应用,因而约瑟夫森效应具有重要的研究和应用价值。
本论文介绍了利用高温超导薄膜制备本征约瑟夫森结阵列的方法和对约瑟夫森结基本特性的一些研究,并对本征约瑟夫森结及阵列的等效电感效应进行了系统的研究。本文的主要成果包括:
通过约瑟夫森方程推导出了约瑟夫森结的等效电感效应,并分析其调谐特性,研究了约瑟夫森电感的失真,并对信号电流和偏置电流引起的非线性失真进行了计算。
通过实验直接测量了本征约瑟夫森结阵列的等效电感。制备出总长为3.4mm的超长本征约瑟夫森结阵列,对其等效电感进行测量,观察到了电压与电流之间的90。相位差,与采用正常薄膜制备的器件测量结果进行对比,并改变频率进行测量,观测结果证实了电感的存在,而且电感的测量值与理论计算值基本一致。
建立了约瑟夫森结在电路仿真软件PSpice中的模型,极大的方便了约瑟夫森结及相关电路的仿真研究。利用这一工具对约瑟夫森结的基本特性进行了较为系统的研究,包括I-V特性、微波感应台阶、串联约瑟夫森结的相位锁定和等效电感特性等。
利用约瑟夫森结的非线性电感特性设计并仿真了一种新型可调谐耦合谐振滤波器,并在PSpice中利用建立的模型进行了仿真计算,仿真结果表明该滤波器具有很好的频率选择性和可调谐性。