Reactive ion beam etching and characterization of high-Tc superconductor Bi2212

Abstract

Terahertz frekans aralığında (0.3?10 THz) koherent aralıksız ve ayarlanabilir bir şekilde elektromanyetik ışıma yapacak kompakt katı hal kaynaklarının eksikliği, bu ışınlarını elde etmede daha iyi bir aday olan yüksek sıcaklık süperiletkenlerle çözülebilir. THz kaynakları; materyal karakterize etmede, biyolojide, iletişimde, tıpta ve güvenlik alanlarında geniş uygulama potansiyeline sahiptir. Yüksek sıcaklık süperiletkenleri ise THz frekans aralığına ışıma yapmak için uygun olan büyük enerji aralıklarına sahiptir. Bu yüzden bu süperiletkenler eklemli yapı teknolojilerinde, DC voltajı yüksek frekanslı ışımaya çeviren iyi bir dönüştürücü olarak kullanılmaktadırlar. Bir süperiletken olan Bi2Sr2CaCu2O8+d (Bi2212) tek kristalleri özgün Josephson eklemleri şeklinde anılan doğal süperiletken yalıtkan süperiletken gibi üst üste çoklu eklemli yapılar içerir. Isınma olaylarından ötürü küçük düzlemsel ve yanalsal boyutlu mesalar tercih edilmesine rağmen, koherent aralıksız ve güçlü bir şekilde THz ışımalarını elde etmek için, Ca ile zenginleştirilmiş Bi2212 üzerine geniş ve uzun boyutlarda mesalar ürettik. Isınma problemini kontrol edebilmek için normal düzeyin altında O2 katkılandırılmış Bi2212 kullandık. Vakumlu termal buharlaştırma, optik fotolitografi ve iyon demeti aşındırma metotları kullanılarak, 40-100x300 µm2 boyutlu mesalar tek katman maske (PR) ve Ta/PR ve PR?/Ta/PR olan iki farklı çoklu katman maske ile üretildi. Mesaların yükseklikleri ve yanal boyutları Atomik Kuvvet Mikroskobuyla analiz edildi. Bi2212'nin sıcaklığa bağlı c-ekseni özdirencini ve akı m-voltaj (I-V) tünelleme niteliklerini inceledik. Bu incelemelerde 300 K ten Tc 'ye üssel olarak artan bir özdirenç normal düzeyin altında O2 katkılandırılmış bir Bi2212 süperiletkeni ile çalışıldığını göstermektedir. Sıcaklıkla değişen I-V ölçümlerinde ısınma olayının etkileri analiz edildi. Son olarak mesaların uzun kenarlarından bolometrik ışıma algılama ölçümleri yapıldı.

The lack of coherent, continuous and tunable compact solid-state sources of electromagnetic radiations at terahertz (THz) frequency range (0.3-30 THz) can be solved by high temperature superconductors (HTS) which are better candidates for generation of THz radiation. THz sources have potential application areas in materials characterization, biology, communication, medicine and security. The HTSs have large energy gap intervals which are available for radiations at THz frequency range, so recently, they were used as better converters from DC-voltage to high frequency radiation in junction technologies. Bi2Sr2CaCu2O8+? (Bi2212) HTS single crystals include natural superconductor-insulator-superconductor multi-junctions called intrinsic Josephson junctions. For generation of coherent continuous and powerful THz radiations, we have fabricated large and tall mesas on Ca rich Bi2212, although mesas with small planar and lateral dimensions were preferred in recent studies because of the heating effect. We have used underdoped Bi2212 to control the heating problem. By using the vacuum thermal evaporation, optical photolithography, magnetron sputtering and reactive ion beam etching techniques, the mesas with size of 40-100x300 µm2 have been fabricated by using single layer mask (PR) and two different multilayer masks, which are Ta/PR and PR?/Ta/PR. Their heights and lateral dimensions were analyzed by Atomic Force Microscopy, profilometer and SEM. We have investigated temperature dependence of c-axis resistivity and current-voltage (I-V) tunneling characteristics of under-doped Bi2212 which exhibit exponentially increases in resistivity from 300 K to Tc. The influences of heating effect were analyzed at temperature evolution of I-V measurements. Finally, bolometric detections of emission from long edges of mesas were done.