Soutenance mémoire
Les supraconducteurs à haute température critique et leurs applications
En théorie, la résistance d’un matériau supraconducteur soumis à un refroidissement décroît linéairement et devient nulle au-dessous d’une température Tc, appelée température de transition ou température critique . L’existence de fluctuations thermodynamiques au voisinage de la transition a pour conséquence un arrondissement de la caractéristique . On observe ainsi une diminution de la résistance avant Tc et un pied dans la transition résistive au dessous de Tc. On définit la température critique expérimentale Tc (R=0) comme la température où le matériau a effectivement une résistance nulle. Ce pied de transition peut également signaler des défauts tels que des hétérogénéités ou des joints de grains dans le matériau.
Les bolomètres supraconducteurs utilisent la brutale chute à zéro de la résistance, qui est l’effet le plus évident du passage de l’état normal à l’état supraconducteur. Pour la compréhension de notre travail, il n’est donc pas nécessaire de détailler les aspects fondamentaux de la supraconductivité, qui sont décrits dans de nombreux ouvrages de références. Nous allons rappeler l’historique de la supraconductivité afin de bien situer les supraconducteurs à haute température critique (SHTc) par rapport aux matériaux supraconducteurs dits classiques. La découverte des SHTc en 1986 a relancé l’intérêt pour les applications des supraconducteurs. En électronique, les efforts se concentrent essentiellement sur les composants passifs micro-ondes, qui pourraient trouver rapidement des applications dans le domaine des télécommunications, et sur les circuits actifs Josephson analogiques et logiques. Les détecteurs infrarouges sont également parmi les applications prometteuses, puisqu’ils permettraient de pallier l’absence de détecteurs performants, refroidis à l’azote liquide, dans le domaine de longueurs d’onde supérieures à 20 µm et jusqu’au millimètre. Après la description des principaux détecteurs infrarouges, nous exposerons le principe du bolomètre supraconducteur, ses caractéristiques et les principaux critères de qualité. Enfin, en faisant référence à la littérature, nous expliquerons pourquoi nous avons choisi la technologie de micro-usinage du silicium pour fabriquer nos microbolomètres suspendus YBaCuO.
Historique de la supraconductivité
Une histoire complète de la supraconductivité est donnée en référence [1]. Nous allons seulement en rappeler les principales étapes. H. Kamerlingh Onnes découvre la supraconductivité à Leiden en 1911 dans le mercure refroidi à 4 K, peu de temps après qu’il ait réussi à liquéfier l’hélium [2]. En 1933, W. Meissner et R. Ochsenfeld, à Berlin, trouvent que les supraconducteurs expulsent le champ magnétique, propriété connue sous le nom d’effet Meissner [3]. L. Cooper de l’Université de l’Illinois, montre en 1956 que le courant supraconducteur est composé de paires d’électrons, appelées paires de Cooper [4], et en 1957, J. Bardeen, L. Cooper et J. Schrieffer développent une théorie microscopique de la supraconductivité pour les métaux, appelée théorie BCS [5]. B. Josephson, de l’Université de Cambridge, prédit en 1962 le passage par effet tunnel de paires de Cooper à travers une fine couche de matériau diélectrique placée entre deux électrodes supraconductrices [6]. Ce phénomène a conduit au développement de la jonction Josephson, élément clé de l’électronique supraconductrice à basse température.
L’histoire des SHTc commence en 1986 avec la découverte des céramiques supraconductrices par K. Muller et J. Bednorz de IBM à Zurich. Le matériau (La,Ba)2CuO4 se montre alors supraconducteur à 35 K [7]. Depuis 1987, avec YBa2Cu3O7, Bi2Sr2Ca2Cu3O10 et Tl2Ba2Ca2Cu3O10, de Tc 92 K, 110 K et 125 K respectivement, la température critique des matériaux supraconducteurs dépasse la température de l’azote liquide. Depuis 1993, de nouveaux matériaux à base de mercure [8, 9] présentent des températures critiques de 133 K, et même 164 K sous pression [10]. Par ailleurs, certaines anomalies observées sur des cuprates [11], et sur les phases dites infinies, élaborées couche par couche [12], laissent présager d’une supraconductivité à plus haute température.
La perspective de moyens de refroidissement plus simples et moins coûteux, stimule toujours la recherche de matériaux de plus haute température critique [13]. Actuellement, l’YBaCuO est le composé monophasé dont on contrôle le mieux l’élaboration. Il est aussi le matériau le plus utilisé dans les applications électroniques en couches minces même si sa température critique n’est pas la plus haute. L’azote liquide à 77 K peut suffire dans certains cas, tels que les bolomètres sur la transition. Cependant, d’autres applications ne se montrent compétitives qu’à une température de travail d’environ la moitié de Tc, et imposent alors, si l’on veut travailler à 77 K, l’usage de matériaux de Tc = 150 K.
Les applications des SHTc aujourd’hui
Pour s’imposer face aux technologies concurrentes, les systèmes à base de SHTc doivent présenter des performances supérieures, un faible coût, une bonne fiabilité et répondre à une large demande du marché. Selon un rapport de l’OTA (Office of Technology Assessment) [14], les meilleures chances de développement d’applications à base de SHTc seraient, à court terme (5-10 ans): l’électronique, les télécommunications (antennes, filtres, lignes à retard), la défense et le spatial (détecteurs); à moyen terme (10-15 ans): des applications médicales et industrielles; à plus long terme (plus de 15 ans): l’électronique de forte puissance. Les avantages potentiels des SHTc, comparés aux semiconducteurs, sont les suivants :
• faible résistance de surface pour des applications en hyperfréquences (du domaine submillimétrique au centimétrique).
• faible niveau de bruit utilisé en détection (SQUID biomédical).
• faible tension de fonctionnement (quelques mV) qui permet de réaliser des circuits actifs à faible niveau de consommation.
• commutation ultra-rapide pour des applications en logique (jonction Josephson).
• fonctionnement entre 50 et 90 K avec des cryogénérateurs autonomes (et hybridation possible avec des semiconducteurs classiques qui sont également refroidis).
La technologie des supraconducteurs à basse température critique est bien maîtrisée aujourd’hui, ce qui permet la commercialisation de certains produits. On peut citer par exemple des composants en niobium: des SQUIDs vendus par la société Conductus [16], ou encore l’amplificateur à SQUID d’Hypres [17]. A l’observatoire du Pic de Bure, l’IRAM (Institut de Radioastronomie Millimétrique de Grenoble) utilise avec succès des mélangeurs à base de jonctions Nb / AlOx / Nb, qu’ils fabriquent eux-mêmes. D’autre part, notre laboratoire est impliqué dans un projet de l’ESA pour la réalisation de mélangeurs à base de jonctions en NbN fonctionnant à 1,5 THz. De façon plus large, les SQUIDs sont largement employés pour la détection de champs magnétiques extrêmement faibles, appliquée à la médecine, la géologie, la défense ou la recherche scientifique. Ces quelques exemples sont loin d’être exhaustifs mais donnent un aperçu des applications envisageables. Une démarche naturelle peut être de reproduire avec les SHTc ce qui fonctionne bien à basse température, avec l’espoir de réduire leur coût et de simplifier leur utilisation. Bien sûr, cette idée ne s’applique pas aux dispositifs où la basse température de travail est imposée par le très faible niveau de bruit requis, tels que des bolomètres pour la détection de particules fonctionnant à 100 mK et moins, ou des amplificateurs à SQUID appliqués à la détection RMN [18].
Il apparaît alors que l’obtention de jonctions à base de SHTc représente un enjeu technologique considérable , entre autres pour la réalisation de SQUIDs, qui sont constitués de deux jonctions Josephson. Plusieurs entreprises commercialisent déjà des composants SHTc, tels que des dispositifs micro-ondes (résonateurs, filtres) ou des microbolomètres destinés au spatial ou à des applications spectroscopiques (Conductus, Superconducting Technologies, Hypres). La technologie à base de supraconducteurs à haute température critique est encore très jeune et devra faire preuve à la fois de ses bonnes performances et de la fiabilité de sa technologie pour se développer.
|
Table des matières
Introduction
I- Les supraconducteurs à haute température critique et leurs applications
1- Introduction
2- Historique de la supraconductivité
3- Les applications des SHTc aujourd’hui
II- Les détecteurs infrarouges
1 -Principales caractéristiques des détecteurs
a) La sensibilité: S
b) La constante de temps de réponse: τ
c) Le bruit du détecteur: en ou in
d) La puissance équivalente de bruit: NEP
e) La détectivité spécifique: D*
f) Autres caractéristiques
2- Classification selon le principe de détection utilisé
a) Détecteurs thermiques
b) Cellules photoconductrices
c) Détecteurs à photoémission électronique
3- Résumé des performances
III- Les bolomètres
1- Principe du bolomètre
2- Historique des bolomètres
3- Identification de quelques besoins en détecteur IR auxquels les SHTc pourraient répondre
4- Expression élémentaire de la sensibilité d’un bolomètre
5- Sources de bruit
6- Spécificité des bolomètres supraconducteurs
a) Emballement thermique
b) Fonctionnement en polarisation en tension: thermomètre dIc / dT
c) Bruit excédentaire d’un film polycristallin
d) Critères de qualité retenus
IV- Etat de l’art des bolomètres suspendus YBaCuO
1- Substrats polycristallins d’YSZ suspendus
2- Substrats de saphir amincis
3- Substrat de silicium aminci
4- Gravure d’une couche sacrificielle
5- Technologies basées sur le micro-usinage du substrat de silicium
a) Principe
b) Gravure du substrat par la face arrière
c) Gravure du substrat par la face avant
6- Résumé des performances atteintes par des bolomètres suspendus YBaCuO
7- Choix de films d’YBaCuO épitaxiés sur substrats de silicium micro-usinés pour la fabrication de nos bolomètres
Conclusion
