Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik

Josephson-Kontakte werden als grundlegendes Bauelement innerhalb der Primärnormale zur Definition der ‎elektrischen Spannung verwendet. Eine Serienschaltung als Array aus Josephson-Kontakten kann dabei ‎quantisierte Spannungsstufen erzeugen, die zur Kalibrierung benutzt werden.In dieser Arbeit wurden ‎Josephson-Kontakte durch Korngrenzen oder fokussierte Ionenstrahlen aus Helium oder Gallium in dem ‎Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O6+x erzeugt. Die Dünnschichten wurden mittels gepulster Laserablation ‎abgeschieden und mit einem Ionenstrahlätzprozess strukturiert. Zur weiteren Modifikation der Breite und ‎damit der Parameter der Josephson-Kontakte wurde ein Strukturierungsprozess mit fokussierten ‎Galliumionen charakterisiert und an Korngrenzen-Kontakten erfolgreich durchgeführt. Damit konnte eine ‎überlappende Shapiro-Stufe bei 6,464mV mit einer Anregungsfrequenz von 1,042 THz in einem Array aus ‎drei Josephson-Kontakten im THz-Mikroskop erzeugt werden. Außerdem konnten supraleitende ‎Nanobrücken bis zu einer Breite von 48nm hergestellt werden. Zur weiteren multi-parametrischen ‎Charakterisierung der Josephson-Kontakte wurde ein kryogener Messaufbau mit einem Pulsrohrkühler ‎entworfen und aufgebaut. Dabei wurde der gesamte mechanische und der elektrische Aufbau, inklusive ‎eines rauscharmen Verstärkers, entwickelt. Eine allgemeine Charakterisierung des Messaufbaus wurde ‎anhand von Korngrenzen-Kontakten in Magnet- und Hochfrequenzfeldern durchgeführt. Dabei zeigte sich ‎die Rauschunterdrückung des gesamten Aufbaus als mehr als ausreichend. Anschließend erfolgten ‎Messungen an verschiedenen Josephson-Kontaktarten. So zeigten Korngrenzen-Kontakte mit ‎asymmetrischen Fraunhofer-Mustern instabiles und chaotisches Verhalten der Shapiro-Stufen in ‎bestimmten Bereichen des Parameterraums aus Magnetfeld und Leistung der hochfrequenten Anregung. ‎Außerdem zeigten sich für bestimmte Parameterkombinationen sogennante “zero-bias Shapiro steps”. ‎Darüber hinaus wurde eine erste Charakterisierung von Josephson-Kontakten, welche durch einen ‎fokussierten Heliumionenstrahl hergestellt wurden, im Hinblick auf die Verwendung als Array durchgeführt. ‎Außerdem konnten Josephson-Kontakte durch Schnitte mit fokussierten Galliumionen hergestellt werden ‎und ausgeprägte Shapiro-Stufen beobachtet werden. Bei verschiedenen Nanobrücken zeigten sich ebenfalls ‎Josephson-Kontakte mit nicht-ganzzahligen Shapiro-Stufen oder negativen differentiellen Widerständen in ‎der Strom-Spannungs-Kennlinie. Abschließend wurde der Einfluss von Photonenabsorption bei einer ‎Wellenlänge von 395nm auf eine Nanobrücke aus YBa2Cu3O6+x untersucht.‎

Die Definition der elektrischen Spannung basiert auf Josephson-Kontakt Arrays, welche bei ‎Hochfrequenzanregung eine quantisierte Spannungsstufe aufweisen. Diese sogenannte Shapiro-Stufe ‎kann für Kalibrierungen eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird der Einsatz des ‎Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-x anstelle des aktuell verwendeten ‎Tieftemperatursupraleiters Niob untersucht. Die YBa2Cu3O7-x Proben werden am Institut mittels ‎gepulster Laserdeposition hergestellt und über Fotolithographie sowie physikalischem und ‎chemischem Ätzen strukturiert. Die Herstellung der Barriere für den Josephson-Kontakt erfolgt über ‎einen fokussierten Helium-Ionenstrahl (He-FIB). Eine umfangreiche Charakterisierung der ‎hergestellten Josephson-Kontakte ist durch die automatisierten Messungen möglich. Es werden der ‎exponentielle Zusammenhang der Josephson-Kontakt Parameter mit der He-FIB Dosis sowie das ‎Verhalten der Parameter über einen weiten Temperaturbereich diskutiert. Außerdem wird die ‎Streuung der Josephson-Kontakt Parameter in Abhängigkeit verschiedener Größen vorgestellt. Dabei ‎ist die Streuung bei diesen vergleichbar zu der bei anderen Herstellungsmethoden für YBa2Cu3O7-x ‎Josephson-Kontakte. Es wird das Ausbilden von flachen und weiten Shapiro-Stufen bei ‎Hochfrequenzanregung im GHz und THz Bereich gezeigt. Dabei ist insbesondere der THz Bereich ein ‎Novum, da zuvor bei diesen Frequenzen keine flachen Shapiro-Stufen gezeigt wurden. Trotz einer ‎gewissen Streuung der Josephson-Kontakt Parameter lassen sich kombinierte Shapiro-Stufen bei ‎Verschaltung von bis zu drei Josephson-Kontakten erkennen. Über eine Optimierung der Herstellung ‎durch Parallelschalten eines Shunt Widerstands kann diese Zahl auf bis zu zehn Josephson-Kontakte ‎erhöht werden, wodurch sich bei 39 GHz Anregung eine kombinierte Shapiro-Stufe bei 0,8mV ergibt. ‎Dabei wird der Einfluss des Shunt Widerstands auf die Messung ausführlich diskutiert. Abschließend ‎zeigen Vergleichsmessungen zwischen einem YBa2Cu3O7-x He-FIB Josephson-Kontakt und einem ‎Niob Spannungsstandard bei 4,2K die grundsätzliche Machbarkeit eines YBa2Cu3O7-x He-FIB ‎Josephson-Kontakt Spannungsstandards. ‎