Методы охлаждения электронных компонентов до сверхнизких температур. Методы охлаждения электронных компонентов до сверхнизких темпера. Реферат по теме Методы охлаждения электронных компонентов до сверхнизких температур
 Скачать 0.64 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» Физико-технологический институт Кафедра «Физические методы и приборы контроля качества» Оценка работы ______ Руководитель: Бунтов Е.А. РЕФЕРАТ по теме: «Методы охлаждения электронных компонентов до сверхнизких температур» Студент гр. Фт-280009 __________________ Панявин И.А. (подпись, дата) Екатеринбург 2020 ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕННИЕ 3 Технология охлаждения 4 Иммерсионное охлаждение 7 Размагничивание и охлаждение электрических контактов 10 Охлаждение с размагничиванием на кристалле 17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18 ВВЕДЕННИЕИсследование и разработка специальных средств для обеспечения интенсивного отвода теплоты от источников с высокими удельными тепловыми нагрузками, создание новых типов интенсификаторов теплопередачи и систем термостатирования отвечающих специфическим требованиям, является важной народнохозяйственной задачей. Функционирование, надежность и управление ряда приборов и устройств существенно зависит от систем обеспечения требуемых температурных режимов их работы. Как правило, работа таких приборов и устройств связана с необходимостью отвода значительных плотностей потоков (микроэлектроника, радиоэлектроника, лазерная техника, оптика и др.) [1]. Милликельвиновые электронные измерения устройств и материалов микро- и нанометрового уровня используются в широком спектре полей, от квантовой технологии до материаловедения от метрологии к наблюдательной астрофизике и поискам темной материи. В некоторых случаях, физические эффекты проявляются при низкой температуре, что дает новые и полезные электронное поведение, такое как сверхпроводимость или квантование проводимости. В в других случаях низкие температуры обеспечивают «тихую» среду, которая может, например, улучшить отношение сигнал / шум чувствительных детекторов или увеличить время когерентности кубитов. Независимо от цели или используемой технологии охлаждения, по-прежнему сложно охлаждать электроны проводимости в устройстве нанометрового масштаба или материал значительно ниже 10 мК. В наноразмерной структуре, где физический размер уже ограничивает электронную теплоемкость, очень сложно поддерживать низкую температура электронов против поступающего тепла от электромагнитного излучения, вихретоковый нагрев, близлежащие горячие изоляторы и необходимые электронные соединения для измерения. Низкие температуры электронов необходимы для наблюдения новых предсказанных электронные фазы, включая экзотические квантовые холловские состояния, топологические изоляторы, коллективные электронно-ядерные спиновые состояния, диэлектрические основные состояния в 2D-системах и сверхпроводимость в некоторых материалах. В известных приложениях более низкие температуры электронов могут улучшить время когерентности полупроводниковые и сверхпроводящие кубиты и гибридные устройства Майорана, а также сокращение механизмов ошибок в метрологических стандартах, таких как зарядовые насосы и квантовые стандарты холловского сопротивления [2]. Технология охлажденияМногие технологические процессы могут протекать при температурах, более низких, чем те, которые достигают, используя для охлаждения воду и окружающий воздух. В таких случаях прибегают к холоду, вырабатываемому с помощью холодильных машин (установок). Производство холода заключается в том, что от тел с низкой температурой отнимается тепло и передается телам, обладающим более высокой температурой, обычно воде или окружающему воздуху. Для отнятия тепла от тел с низкой температурой применяют, как правило, промежуточные рабочие тела – холодильные агенты. Необходимое понижение температуры холодильного агента достигается проведением различных физических процессов. Из них наиболее широко применяют испарение жидкого холодильного агента при пониженном давлении [3]. Так, например, испарением жидкого аммиака при давлении 0,4119 ата достигается температура – 50°, испарением жидкого этана при давлении 0,5354 ата достигается температура – 100°, а испарением жидкого азота – температура до – 210° и т. д. [4]. Во всех промышленных холодильных установках на этот дополнительный процесс расходуется механическая или тепловая энергия для сжатия парообразного или газообразного холодильного агента; исключение составляют процессы охлаждения при помощи природного льда и различных охлаждающих смесей, но они не имеют сколько-нибудь широкого применения в промышленности. Установки для получения низких температур можно разделить на три группы: а) установки для умеренного охлаждения (до минус 180 °С), б) установки для выработки глубокого холода (до минус 270 °С) и в) установки для достижения сверхнизких температур (ниже минус 270 °С) [4]. Сочетание более высокого теплового сопротивления и более низкой электронной теплоемкости затрудняет достижение температуры электронов на кристалле ниже 10 мК с использованием стандартных экспериментальных методик в холодильнике для разбавления. Самый распространенный подход, который хорошо работает при более высоких температурах, заключается в том, чтобы гарантировать, что основная и внешняя проводка хорошо термализованы за счет плотного контакта с самой холодной частью холодильник и уменьшить паразитное нагревание и рассеяние в устройстве на столько, возможный. Часто последнее требует тщательного устранения электрических помех во входящей проводке. Успешные примеры, демонстрирующие 6 мК ≲ Te ≲ 10 мК. Для достижения значительно более низких температур электронов на кристалле требуется различный подход к термализации образца и различная холодильная техника, поскольку даже самые лучшие холодильники с разбавлением ограничены температурами выше 1 мК. Размагничивающее охлаждение в настоящее время является наиболее широко используемым методом для охлаждение сыпучих материалов ниже базовой температуры холодильника разбавления. Это используется в низкотемпературных лабораториях и применяется, хотя и гораздо менее широко, для охлаждения устройств микро/наноэлектроники. Магнитокалорический эффект, впервые обнаруженный в железе в 1883 г., при котором температура подходящего материала может быть изменена при применении магнитного поля. Это происходит в парамагнитных материалах благодаря электронному магнитному моменту или в результате ядерного спина. Ядерные парамагнетики наиболее актуальны для диапазона сверхнизких температур и соответствующий метод охлаждения известен как адиабатическое ядерное размагничивание. Принцип размагничивающего охлаждения хорошо известен. Охлаждение ядерного размагничивания работает, управляя Зеемановским расщеплением уровня энергии спина ядра в приложенном магнитном поле. Для небольших магнитных полей Зеемановское расщепление намного меньше тепловой энергии  , что приводит к случайному распределению спиновой ориентации в хладагенте.Это может быть использовано как часть техники охлаждения на первом этапе. Прикладывая магнитное поле ∼ 10 Тл, а затем ожидая, пока ядерные спины термализуются до базовой температуры разбавления холодильника разбавления (процесс, называемый предварительным охлаждением). Затем хладагент термически изолируется от смесительной камеры холодильника разбавления, позволяя ему оставаться примерно с постоянной энтропией, и магнитное поле уносится вниз, производя охлаждение. Энтропия полностью зависит от  , а это означает, что минимально достижимая конечная температура определяется как  , где  – это начальный температура ядра, а  и  – начальное и конечное магнитные поля соответственно. Полное магнитное поле состоит из внешнего поля  и эффективного внутреннего поле ядра b, которое возникает из-за магнитного диполя взаимодействия в ядрах. Эти поля вместе дают общее поле  .Для охлаждения за счет размагничивания часто используются сложные ступени охлаждения на ультрасовременные, изготовленные по индивидуальному заказу холодильники разбавления или с виброизоляциейсистемы на коммерческих, безкриогенных холодильниках разбавления. Пока эти системы могут легко достичь температуры объемных электронов ∼ 100 мкК, их непросто использовать для охлаждения образца наноэлектроники до аналогичных температур[2].  Рисунок 1 – Поперечный разрез компоновки ступени размагничивания под смесительной камерой. Расширение экрана 4 K позволяет сверхпроводящий магнит устанавливать в нижнем положении по отношению к смесительной камере. Сверхпроводящий тепловой выключатель и шумовой термометр расположены рядом под фланцем смесительной камеры. Поддержка низкой теплопроводности структура ступени размагничивания не показана для ясности, а также тепловые ссылки, которые описаны в основном тексте Иммерсионное охлаждениеВ контексте низкотемпературных микро/наноэлектронных устройств иммерсионное охлаждение означает погружение части эксперимента, включая устройство, в жидкость гелия для улучшения теплового контакта с самой холодной ступенью холодильника. Этой самой холодной ступенью может быть жидкий гелиевый хладагент внутри смесительной камеры из холодильника для разбавления или твердый хладагент холодильника размагничивания. Гелий в иммерсионной ячейке может быть 3He, 4He или их смесью и, в зависимости от рабочей температуры, может находиться в любом нормальном состоянии или сверхтекучем состоянии. Тепловой контакт с жидкостью в иммерсионной ячейке часто бывает улучшенным за счет использования металлопорошковых теплообменников, которые обеспечивают чрезвычайно большую площадь контакта твердого вещества/жидкости для противодействия граничному сопротивлению на границе раздела твердого тела/жидкость. Например, теплообменник из спеченного серебра при объеме в несколько кубических сантиметров может иметь площадь контактной поверхности ∼ 10  , его схематическое изображение можно увидеть на рисунке 2. Рисунок 2 – Схематическое изображение одного из теплообменников из спеченного серебра. Корпуса сделаны из монеля и изготовлены методом твердой пайки на кондукторах. Две половинки корпуса и лист стерлингового серебра плюс спеченные серебряные подушечки затем скрепляются и припаиваются мягким припоем вокруг стыка [6] В контексте рассмотренной выше тепловой модели иммерсионное охлаждение может использоваться для обеспечения того, чтобы подложка, проводка микросхемы и среда образца были хорошо термализованы при базовой температуре холодильника. Иммерсионное охлаждение использовалось для термализации микро/наноэлектронных устройств до базовой температуры холодильников разбавления и холодильников размагничивания. Во многих случаях также используются теплообменники из спеченного серебра в иммерсионной ячейке для обеспечения хорошего теплового контакта с проводкой внутри кристалла. Цель состоит в том, чтобы охладить электроны на кристалле за счет электронной теплопроводности, используя  масштабирование электронного теплового сопротивления по сравнению с  масштабированием электрон-фононного теплового сопротивления.Этот подход особенно эффективен для образцов с низким электрическим контактным сопротивлением, а оптимизация изготовления образцов для более низких сопротивлений может привести к снижению базовые температуры электронов. Несмотря на значительные усилия, электронные температуры, достигаемые при иммерсионном охлаждении, редко бывают ниже ≈ 4 мК. В Ланкастерском университете Брэдли и др. достигли электронной температуры 3,7 мК в эксперименте, где термометр кулоновской блокады (CBT) был помещен в смесительную камеру холодильника для разбавления, а не в отдельную иммерсионная ячейка. Иммерсионная ячейка 3He, охлаждаемая ступенью ядерного размагничивания медью, была использована для достижения электронной температуры ниже 2 мК в двумерном электронном газе, измеренного с помощью токовой шумочувствительной термометрии. Пока для успешных экспериментов описанного выше типа требуются холодильники, изготовленные по индивидуальному заказу или в значительной степени индивидуализированные. Nicolí et al разработали иммерсионную ячейку для достижения электронной температуры 6,7 мК в закрытом коммерческом холодильнике для разведения, не содержащем криогенов. Пока еще технически этот эксперимент не потребовал значительных изменений холодильника разбавления (например, открытия смесительной камеры) и дополнительных добавлений ступеней магнитного охлаждения. В принципе, иммерсионное охлаждение можно использовать для получения электронов с низким значением температуры милликельвина в имеющемся в продаже холодильнике для разбавления. Однако, если необходимы значительно более низкие температуры, также необходимо использовать охлаждение с ядерным размагничиванием[2]. Размагничивание и охлаждение электрических контактовВ традиционных экспериментах с микрокельвином измерительная проводка обычно термализуется при самых низких температурах на одной стадии ядерного размагничивания, оборачивая длинный участок проводки, но обеспечивая тепловой контакт только через тонкий слой электрической (и, следовательно, тепловой) изоляции, предотвращающий нежелательное короткое замыкание. При температурах ниже 10 мК или, конечно, ниже 1 мК это становится запредельно неэффективным.  Рисунок 3 – Сравнение трех различных базельских ядерных ступеней, первых двух на одной и той же мокрой системе и третий по сухой системе Подход, где каждый измерительный провод проходит через собственный ядерный холодильник, что устраняет слабое звено охлаждения через электрический изолятор и заменяет его электронным охлаждением Видеманна – Франца, реализован в трех последовательных вариантах в Университете г. Базель. Первые два поколения ядерных ступеней были разработаны для холодильника мокрого разбавления Leiden cryogenics MNK. Третье поколение было установлено на рефрижераторе сухого разбавления Bluefors LD. Полная схема последней (3-го поколения) установки размагничивания, установленной на холодильник Bluefors LD, с увеличением стадии размагничивания самая низкая температура электронов в NR была уменьшена с 1 мК в до 0,2 мК в и, наконец, до 0,15 мК. Улучшения в основном связаны с увеличением количества меди на пластину (0,57 моль / 1 моль / 2 моль) при оптимизации геометрии для уменьшения нагрева вихревого тока и увеличение диаметра серебряной проволоки (1,27 мм / 1,27 мм / 2,54 мм) соединяющих NR к теплообменникам из спеченного серебра, находящимся внутри смесительной камеры. Обзор соответствующих параметров системы для различных поколений ступеней размагничивания приведен в таблице 1. Таблица 1 Сравнение трех различных базельских ядерных ступеней, первых двух на одной и той же мокрой системе и третий по сухой системе
На полигоне ядерной стадии второго поколения были исследованы три различных типа наноэлектронных устройств: квантовые точки на гетероструктурах GaAs/AlGaAs, нормальные туннельные переходы металл – диэлектрик – сверхпроводник (НИС), и металлические CBT. Все устройства были установлены на пробной площадке, расположенной в нескольких расстояние ниже NR и удерживались на постоянном магнитном поле (нулевое поле в случае квантовой точки и образцов NIS и небольшого конечного поля в случае CBT). Таким образом, описанные ниже эксперименты по ядерному размагничиванию показывают информация только об охлаждающих устройствах через их электрические контакты.  Рисунок 4 – а) холодный наплавитель, соединенный с камерой смешивания, b) погруженный в жидкий хладагент 3He – 4He холодильника разбавления. Охлаждение обеспечивается серебряным проводом, подключенным к корпусу, а также экранированными серебряными проводами. Результирующая электронная температура, полученная при прямом переносе постоянного тока на гетероструктурах GaAs/AlGaAs, была равна 11 ± 1 мК при температуре холодильника 9 мК. Определение заряда работает с произвольно низкими скоростями туннелирования в точках, позволяя им оставаться в расширенном по температуре режиме до сколь угодно низких температур. Самая низкая температура электронов, полученная при 6 последовательных измерениях заряда в этом случае, составили 10,3 ± 4,4 мК. Получены стабильные результаты с обоими подходами. Отметим две трудности при измерении сверхнизких температур с помощью квантовых точек. Во-первых, из-за малых размеров устройства эти системы очень чувствительны к колебаниям заряда в материале основного колебания, обычно порядка 1 мкэВ, во-вторых, шум напряжения в электрических контактах может переводить непосредственно в показание повышенной электронной температуры. Металлические CBT - это простые в использовании двухконтактные устройства, которые позволяют проводить точную термометрию до нескольких милликельвинов и ниже. Устройства состоят из параллельных цепочек металлических островков, разделенных туннельными переходами (обычно алюминиевыми окисями). В отличие от квантовых точек, которые работают в условиях глубокой кулоновской блокады, острова CBT находятся в пределе высокой температуры, где их энергия заряда  сравнима с тепловой энергией  . Проводимость CBT демонстрирует провал вокруг нулевого смещения, а ширина и глубина провала являются температурными зависимый и может использоваться для термометрии. Применяемое смещение переменного и постоянного тока, а также любое шумовое напряжения, поровну делится между переходами в каждой цепочке островов на CBT. Это снижает требования к уровню шума окружающей среды по сравнению с квантовой термометрией. На рисунке 3 показана зависимость от смещения трех CBT с различаются полным сопротивлением. Полный фут до зависимости смещения (пунктирные черные кривые) обеспечивает зарядную энергию устройства и соответствующую температуру электронов. Более высокие температуры электронов (14,9 мК / 12,2 мК / 11,4 мК) были получены для устройства с более низким сопротивлением (67 кОм ∕ 175 кОм ∕ 4,8 МОм) при нормальной работе рефрижератора разбавления, соответствующий идее лучшей изоляции от окружающей среды за счет большего сопротивления. Рисунок 5 – Термометрия с использованием различных металлических термометров кулоновской блокады с разным сопротивлением.Нормированная дифференциальная проводимость  как функция приложенного постоянного смещения показана для различных температур TCu медной пластины. Размагничивание кристалла до TCu = 2 мК немного снижает электронную температуру для устройства 4,8 МОм от 11,4 мК (голубой) до 9,5 мК (синий)Далее мы рассмотрим результаты термометрии обычных устройств металл – диэлектрик – сверхпроводник (NIS). Острый пик квазичастиц в плотности состояний сверхпроводника представляет собой идеальный зонд для измерения теплового уширения распределения занятых состояний в соседнем нормальном металле. Для этого изолятор находится между нормальным металлом и сверхпроводником. Это так, что создание куперовских пар сильно подавляется, и, следовательно, результирующий постоянный ток ток через устройство, как функция напряжения смещения V, отражает сверхпроводящий промежуток. Из-за огромных, миллиметровых макроскопических выводов на устройстве NIS можно было надеяться для улучшения характеристик ядерного размагничивания внутри кристалла по сравнению с высокими решетки импеданса, присутствующие в металлических термометрах кулоновской блокады. Действительно, электронная температура падает ≈ на 30% с ≈ 10 мК до ≈ 7 мК на при снижение температуры медной пластины до 3 мК по сравнению со снижением температуры всего ≈ на 15% в случае CBT на рис. 6. Ограничивающий фактор в этом случае, скорее всего, является шум среднеквадратичного напряжения  в измерительных проводах, которые соединяется непосредственно с химическим потенциалом в нормальном металле и преобразуется в повышенное значение температуры если  . Кроме того, остаточные перпендикулярные магнитные поля также приводят к резкому завышению электронной температуры. Рисунок 6 – Термометрия нормального туннельного перехода металл–диэлектрик–сверхпроводник (НИС). Электронные температуры извлечены из полной и линейной аппроксимация, которые показанные показаны красными квадратами и черными треугольниками соответственно. Электронная микросхема с низким значением температуры милликельвина может быть успешно достигнута с помощью магнитного охлаждения внешнего электрического подключения. Также можно отметить, что основная температура электрона часто ограничивается измеряемым устройством, а не внешним холодильником[2]. Охлаждение с размагничиванием на кристаллеОхлаждение с размагничиванием на кристалле использует небольшое количество хладагента, встроенного в микро/наноэлектронное устройство. Хладагент электрически связан с электронами проводимости устройства, обеспечивая тепловую связь с ядерными спины за счет гиперферментных взаимодействий между ядрами и электронами. Это позволяет избежать узкого места электрон-фононного взаимодействия, связанного с охлаждением образца через его электрически изолирующую подложку. Он также обходит слабую тепловая связь с проводкой внутри кристалла в устройствах с высоким импедансом. Самые ранние наблюдения за встроенным магнитным охлаждением были сделаны там, где: вместо использования обычного хладагента для ядерного размагничивания, такого как медь, спиновая энтропия обеспечивалась электронным парамагнетизмом в материале конструкции устройства. В работе, посвященной исследованию аномального эффекта Холла в топологическом изоляторе, неожиданное изменение холловского сопротивление стержня было обнаружено и в конечном итоге идентифицировано как результат неожиданногоперепады температуры. Эти температурные изменения возникли из-за магнитокалорической в какой-то неизвестной части устройства. В ходе экспериментов температура устройства была снижена до 25 мК по сравнению с температурой камеры смешения 40 мК. Это привело к очень низкому продольному сопротивлению и отличному квантованию холловской проводимости. Неожиданное охлаждение также наблюдалось при измерениях алюминиевых комплектов. В данной работе алюминий был легирован марганцем для подавления сверхпроводимости, что было нежелательно для хорошего устройства операции. Было обнаружено, что легирование имеет побочный эффект, позволяющий размагничивать охлаждение SET до 140 мК, по сравнению с базовой температурой 300 мК. криостата 3He, в который был установлен образец. Для охлаждения на кристалле до нескольких милликельвинов наиболее эффективным на сегодняшний день подходом является использование относительно небольших блоков металлического хладагента в прямом электрическом соединении с элементами схемы устройства. При условии, что соединение имеет достаточно низкий электрическое сопротивление, электроны проводимости в устройстве и хладагенте по существу единственная термальная ванна, охлаждаемая за счет размагничивания ядерных спинов хладагента[2]. ЗАКЛЮЧЕНИЕРассмотрев в данной работе методы охлаждения электронных компонентов до сверхнизких температур можно сказать, что охлаждение до сверхнизких температур является достаточно нелегким процессов. Для достижения сверхнизких температур необходимо такое устройство, как холодильные машины. В данном реферате акцент был сделан на охлаждение магнитным методом. Но стоит отметить, что и данный метод включает в себя разные способы достижения сверхнизких температур, такие как использование холодильника с криогенном или без, охлаждение с полным погружением материала или с помощью встроенного в кристалл небольшого к-ва хладногена, с добавлением дополнительных ступеней, что может быть каскадное светоизлучающее термоэлектрическое устройство или открытия смесительной камеры, использование холодильника разбавления с сухим или мокрым разбавлением, с дополнительным ядерным размагничиванием, использование самой холодной ступенью жидкого гелиевого хладагента внутри смесительной камеры из холодильника для разбавления или твердого хладагента холодильника размагничивания. Методы охлаждения до сверхнизких температур требуют дальнейшего изучения и модернизации и не ограничиваются данным списком методов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1]. Исмаилов, Т. А. Полупроводниковые термоэлектрические энергоэффективные устройства : монография / Т. А. Исмаилов, Х. М. Гаджиев. – Санкт-Петербург : Лань, 2020. – 124 с. – ISBN 978-5-8114-5376-4. – Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/149458 (дата обращения: 23.05.2021) [2]. A. T. Jones, C. P. Scheller, J. R. Prance1, Y. B. Kalyoncu, D. M. Zumbühl, R. P. Haley Progress in Cooling Nanoelectronic Devices to Ultra‑Low Temperatures Progress in Cooling Nanoelectronic Devices to Ultra‑Low Temperatures [3]. Мастерская своего дела [Электронный ресурс]: ОХЛАЖДЕНИЕ ДО НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР URL: https://msd.com.ua/apparaty-ximicheskoj-texnologii/oxlazhdenie-do-nizkix-temperatur/ (дата обращения: 23.05.2021) [4]. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Учебников для студентов технических вызов. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1972 – Текст : электронный // Справочник химика 21. – URL: https://chem21.info/info/1920420/ (дата обращения: 23.05.2021) [5]. G Batey et al 2013 New J. Phys. 15 113034 [6]. Bunkov, Y.M., Guénault, A.M., Hayward, D.J. et al. A compact dilution refrigerator with vertical heat exchangers for operation to 2 mK. J Low Temp Phys 83, 257–272 (1991). https://doi.org/10.1007/BF00683626 |
