Microscop cu dispozitiv de scanare SQUID

Microscopul de scanare SQUID este o tehnică de microscopie de proximitate pentru măsurarea câmpurilor magnetice slabe, bazată pe mișcarea laterală a unei suprafețe SQUID .

Microscopul este capabil să detecteze în detaliu firele traversate de curent electric sub suprafața probei prin măsurarea câmpurilor magnetice generate de curenții înșiși; Prin cartarea curenților într-un circuit integrat , scurtcircuitele pot fi localizate și proiectarea unui cip poate fi optimizată prin verificarea faptului că curentul curge acolo unde a fost proiectat.

O altă utilizare a microscopului este studierea câmpurilor generate de materialele magnetice.

Funcționarea senzorului SQUID

Figura 1: Schema de conectare a unui SQUID unde I _b este curentul de polarizare, I ₀ este curentul critic, Φ este fluxul care lovește SQUID și V este răspunsul de tensiune la acel flux.

Figura 2 a) Diagrama curent versus tensiune a unui SQUID. Curbele superioare și inferioare corespund cu nΦ ₀ și respectiv (n + 1/2) Φ ₀ . Figura 2 b) Răspunsul periodic al tensiunii datorat fluxului printr-un SQUID. Periodicitatea este egală cu un cuantic de flux, Φ ₀

Același subiect în detaliu: SQUID .

Un senzor SQUID permite detectarea prezenței câmpurilor magnetice slabe pe baza unei perechi de joncțiuni Josephson conectate într-un inel (figura 1). Pentru a funcționa, materialul supraconductor trebuie răcit la temperaturi sub temperatura sa critică, folosind azot lichid (în cazul supraconductoarelor cu o temperatură critică ridicată , atingând temperaturi sub 77 K), sau heliu lichid în cazul supraconductoarelor tradiționale (temperaturi sub 4 K.

O joncțiune Josephson este alcătuită din două materiale supraconductoare separate de un strat subțire de izolație ; curentul curge într-o joncțiune fără a aplica o tensiune până la o valoare critică de curent I ₀ . Prin polarizarea SQUID-ului cu un curent mai mare decât cel critic, tensiunea pe dispozitiv variază în funcție de fluxul magnetic Φ care traversează inelul, în funcție de o funcție periodică, a cărei perioadă este dată de cuantumul fluxului magnetic Φ ₀ = 2,07 x10 ⁻¹⁵ Tm ² . În practică, un sistem de feedback negativ este utilizat pentru a măsura câmpul, care menține fluxul constant.

În tehnica de microscopie SQUID, se utilizează un SQUID cu temperatură critică ridicată mică (aproximativ 30 µm lățime) pentru imagistica curenților; aceste sisteme sunt descrise în detaliu mai jos.

Detectarea câmpurilor magnetice și a curenților prin SQUID

Câmpul magnetic și curentul electric sunt legate de legea Biot-Savart :

\operatorname {d} \mathbf {B} ={\frac {\mu _{0}\,i}{4\pi }}{\frac {\operatorname {d} \mathbf {l} \times \left(\mathbf {r} -\mathbf {r^{\prime }} \right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r^{\prime }} \right|^{3}}}

{\ displaystyle \ operatorname {d} \ mathbf {B} = {\ frac {\ mu _ {0} \, i} {4 \ pi}} {\ frac {\ operatorname {d} \ mathbf {l} \ times \ left (\ mathbf {r} - \ mathbf {r ^ {\ prime}} \ right)} {\ left | \ mathbf {r} - \ mathbf {r ^ {\ prime}} \ right | ^ {3} }}}

{\ displaystyle \ operatorname {d} \ mathbf {B} = {\ frac {\ mu _ {0} \, i} {4 \ pi}} {\ frac {\ operatorname {d} \ mathbf {l} \ times \ left (\ mathbf {r} - \ mathbf {r ^ {\ prime}} \ right)} {\ left | \ mathbf {r} - \ mathbf {r ^ {\ prime}} \ right | ^ {3} }}}

unde este $\operatorname {d} \mathbf {B}$ ${\ displaystyle \ operatorname {d} \ mathbf {B}}$ ${\ displaystyle \ operatorname {d} \ mathbf {B}}$ este câmpul generat de întinderea firului infinitesimal $\operatorname {d} \mathbf {l}$ ${\ displaystyle \ operatorname {d} \ mathbf {l}}$ ${\ displaystyle \ operatorname {d} \ mathbf {l}}$ Și $\left|\mathbf {r} -\mathbf {r^{\prime }} \right|$ ${\ displaystyle \ left | \ mathbf {r} - \ mathbf {r ^ {\ prime}} \ right |}$ ${\ displaystyle \ left | \ mathbf {r} - \ mathbf {r ^ {\ prime}} \ right |}$ distanța dintre curent și punctul în care doriți să calculați câmpul.

Prin urmare, curentul poate fi calculat direct dintr-o măsurare a câmpului magnetic, cunoscând distanța dintre curent și senzor. Acest principiu este exploatat pentru a crea hărți ale căilor curente într-un circuit integrat ^[1] . .

Microscop de scanare SQUID la temperatură înaltă

Microscop de scanare SQUID

Folosind un YBCO SQUID (un compus chimic cristalin cu formula $YBa_{2}Cu_{3}O_{7}$ ${\ displaystyle YBa_ {2} Cu_ {3} O_ {7}}$ ${\ displaystyle YBa_ {2} Cu_ {3} O_ {7}}$ , supraconductor la temperatură ridicată), acest microscop SQUID de scanare poate măsura câmpuri magnetice de până la 20 pT (de aproximativ două milioane de ori mai slabe decât câmpul magnetic al Pământului ). Senzorul SQUID este suficient de sensibil pentru a putea detecta un fir traversat de un curent de numai 10 nA la o distanță de 100 µm într-un timp de măsurare de 1 s.

Microscopul utilizează un design brevetat pentru a putea examina proba la temperatura camerei și în aer, în timp ce senzorul SQUID este în vid și răcit într-un criostat la mai puțin de 80 K, fără utilizarea azotului lichid. Instrumentul poate realiza o imagine în aceste condiții cu o examinare nedistructivă, fără a atinge senzorul și proba. Rezoluția brută, neprelucrată, este cea mai mare dintre distanța care separă senzorul de curent și dimensiunea reală a senzorului.

Pentru a localiza mai bine un fir scurtcircuitat într-un strat îngropat, totuși, poate fi utilizată o tehnică care utilizează o transformată Fourier rapidă pentru a transforma imaginea câmpului magnetic într-o hartă echivalentă de curent într-un circuit integrat sau un circuit imprimat ^[2] ^[3] . Harta curentului rezultat poate fi apoi comparată cu schema circuitului pentru a determina locația defectului.

Datorită procesării ulterioare a imaginii câmpului magnetic și a zgomotului redus prezent în imaginile generate de SQUID, este posibilă creșterea definiției spațiale cu un factor de 5 sau mai mult în comparație cu imaginile câmpului magnetic limitate de proximitate.

Rezultatul măsurătorii este afișat ca o imagine color falsă a intensității câmpului magnetic sau a intensității curente (după procesare) în raport cu poziția pe eșantion. După procesarea pentru calcularea curentului, acest microscop poate detecta scurtcircuitele pe o rază de 3 µm la o distanță de curent a senzorului de 150 µm ^[4] .

Notă

^ S. Chatraphorn, EF Fleet, FC Wellstood, LA Knauss și TM Eiles, "Scanning SQUID Microscopy of Integrated Circuits", Applied Physics Letters, vol. 76, nr. 16, pp. 2304-2306 (2000)
^ JP Wikswo, Jr. „The Magnetic Inverse Problem for NDE”, în H. Weinstock (ed.), SQUID Sensors: Fundamentals, Fabrication, and Applications, Kluwer Academic Publishers, pp. 629-695, (1996)
^ EF Fleet și colab., „HTS Scanning SQUID Microscopy of Active Circuits”, Appl. Conferința de superconductivitate (1998)
^ LA Knauss, BM Frazier, HM Christen, SD Silliman și KS Harshavardhan, Neocera LLC, 10000 Virginia Manor Rd. Beltsville, MD 20705, EF Fleet și FC Wellstood, Center for Superconductivity Research, University of Maryland at College Park College Park, MD 20742, M. Mahanpour și A. Ghaemmaghami, Advanced Micro Devices, One AMD Place Sunnyvale, CA 94088

Bibliografie

„Imagistica curentă utilizând senzori de câmp magnetic” LA Knauss, SI Woods și A. Orozco
EF Fleet, S. Chatraphorn, FC Wellstood, SM Greene și LA Knauss, „Microscop SQUID de scanare HTS răcit de un frigider cu ciclu închis”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 9, nr. 2, pp. 3704 (1999).
J. Kirtley, IEEE Spectrum p. 40, decembrie (1996)
FC Wellstood, și colab., IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 7, nr. 2, pp. 3134 (1997)

Elemente conexe

linkuri externe

( EN ) Proiectarea și aplicarea unui microscop de scanare SQUID , pe neiu.edu . Adus la 30 iulie 2009 (arhivat din original la 6 iulie 2008) .

Portalul de fizică

Portal de metrologie

[1] S. Chatraphorn, EF Fleet, FC Wellstood, LA Knauss și TM Eiles, "Scanning SQUID Microscopy of Integrated Circuits", Applied Physics Letters, vol. 76, nr. 16, pp. 2304-2306 (2000)

[2] JP Wikswo, Jr. „The Magnetic Inverse Problem for NDE”, în H. Weinstock (ed.), SQUID Sensors: Fundamentals, Fabrication, and Applications, Kluwer Academic Publishers, pp. 629-695, (1996)

[3] EF Fleet și colab., „HTS Scanning SQUID Microscopy of Active Circuits”, Appl. Conferința de superconductivitate (1998)

[4] LA Knauss, BM Frazier, HM Christen, SD Silliman și KS Harshavardhan, Neocera LLC, 10000 Virginia Manor Rd. Beltsville, MD 20705, EF Fleet și FC Wellstood, Center for Superconductivity Research, University of Maryland at College Park College Park, MD 20742, M. Mahanpour și A. Ghaemmaghami, Advanced Micro Devices, One AMD Place Sunnyvale, CA 94088

[1]

[2]

[3]

[4]