Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications

Työn aiheena on pinta-alaltaan suuret SINIS-tunneliliitokset ja niiden käyttö jäähdytyksessä. SINIS-tunneliliitos koostuu kahdesta normaalimetalli-eristesuprajohde (NIS) rakenteesta, jotka ovat kytkettynä toisiinsa sarjaankytkennällä. Tällaisia rakenteita voidaan käyttää jäähdytyksessä matalissa läm...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Valkiala, Ville
Other Authors: Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Faculty of Sciences, Fysiikan laitos, Department of Physics, University of Jyväskylä, Jyväskylän yliopisto
Format: Master's thesis
Language:eng
Published: 2015
Subjects:
Online Access: https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/48178
_version_ 1828193115450638336
author Valkiala, Ville
author2 Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Fysiikan laitos Department of Physics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto
author_facet Valkiala, Ville Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Fysiikan laitos Department of Physics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto Valkiala, Ville Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Fysiikan laitos Department of Physics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto
author_sort Valkiala, Ville
datasource_str_mv jyx
description Työn aiheena on pinta-alaltaan suuret SINIS-tunneliliitokset ja niiden käyttö jäähdytyksessä. SINIS-tunneliliitos koostuu kahdesta normaalimetalli-eristesuprajohde (NIS) rakenteesta, jotka ovat kytkettynä toisiinsa sarjaankytkennällä. Tällaisia rakenteita voidaan käyttää jäähdytyksessä matalissa lämpötiloissa. Tämän mahdollistaa suprajohteille ominainen energia-aukko, joka tarkoittaa, että tietyillä energian arvoilla suprajohteessa ei ole sallittuja tiloja, joille elektronit voisivat asettua. Energia-aukko sijoittuu keskitetysti Fermi-energian E_F kohtaan, joka tarkoittaa että lämpötilassa T = 0 kaikki Fermi-energian alapuolella olevat tilat ovat miehitettyjä ja sen yläpuolella olevat tyhjillään. Kun normaalimetallin ja suprajohteen välille kytketään jännite, metallien Fermi-tasoja voidaan muuttaa, ja elektronit pystyvät tunneloitumaan normaalimetallista suprajohteeseen. Sopivalla jännitteen arvolla vain korkeimman energian omaavat elektronit normaalimetallissa ovat energiassa suprajohteen energia-aukon yläpuolella, joten vain ne pystyvät tunneloitumaan. Tämä pienentää normaalimetallin keskimääräistä energiaa, joten sen lämpötila laskee. SINIS-tunneliliitoksen jäähdytysteho on verrannollinen liitoksen pintaalaan ja energia-aukon neliöjuureen. Tämän takia jäähdytystehoa saadaan teorian mukaan kasvatettua käyttämällä mahdollisimman suuria liitospintaaloja ja suprajohdemateriaaleja, joilla on mahdollisimman suuri energiaaukko. Tässä työssä valmistettiin 60 µm x 60 µm ja 30 µm x 30 µm Al/AlOx/Cu SINIS liitoksia ja mitattiin niiden virta-jännite käyttäytymistä matalissa lämpötiloissa. Alumiinin lisäksi myös niobia kokeiltiin suprajohdemateriaalina, koska sillä on alkuainesuprajohteista suurin energia-aukko. Tulokset osoittavat, että valmiiden näytteiden käyttäytyminen eroaa ideaalisesta teorian mukaisesta käyttäytymisestä, mutta siinä on kuitenkin selvästi nähtävissä tyypillisiä tunneliliitoksille ominaisia piirteitä. NIS tunnel junctions are small-scale structures consisting of a superconductor and a normal metal separated by a thin insulating barrier. They can be used in cooling applications at ultra low temperatures. A SINIS junction contains two NIS junctions in series. The cooling power of the device is proportional to the area of the junction and the energy gap of the superconductor. In this work large-area Al/AlOx/Cu junctions were fabricated with standard lithographic techniques and ultra high vacuum evaporation. The areas of the junctions are 60 µm x 60 µm and 30 µm x 30 µm. Current-voltage characteristics of the devices were measured at millikelvin temperature range using 3He-4He-dilution refrigerator. The obtained IV and dI/dV data deviates from ideal BCS behavior, but still shows some typical tunnel junction characteristics. In addition to aluminum, Nb/Al/AlOx/Cu junctions with niobium as the superconducting electrode were also fabricated. Nb is the element with the highest energy gap, making it theoretically ideal material for SINIS cooler fabrication.
first_indexed 2023-03-22T10:00:44Z
format Pro gradu
free_online_boolean 1
fullrecord [{"key": "dc.contributor.advisor", "value": "Maasilta, Ilari", "language": "", "element": "contributor", "qualifier": "advisor", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.author", "value": "Valkiala, Ville", "language": null, "element": "contributor", "qualifier": "author", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.accessioned", "value": "2015-12-17T13:47:39Z", "language": "", "element": "date", "qualifier": "accessioned", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.available", "value": "2015-12-17T13:47:39Z", "language": "", "element": "date", "qualifier": "available", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.issued", "value": "2015", "language": null, "element": "date", "qualifier": "issued", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.other", "value": "oai:jykdok.linneanet.fi:1506168", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.uri", "value": "https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/48178", "language": "", "element": "identifier", "qualifier": "uri", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.abstract", "value": "Ty\u00f6n aiheena on pinta-alaltaan suuret SINIS-tunneliliitokset ja niiden k\u00e4ytt\u00f6 j\u00e4\u00e4hdytyksess\u00e4. SINIS-tunneliliitos koostuu kahdesta normaalimetalli-eristesuprajohde (NIS) rakenteesta, jotka ovat kytkettyn\u00e4 toisiinsa sarjaankytkenn\u00e4ll\u00e4. T\u00e4llaisia rakenteita voidaan k\u00e4ytt\u00e4\u00e4 j\u00e4\u00e4hdytyksess\u00e4 matalissa l\u00e4mp\u00f6tiloissa.\r\nT\u00e4m\u00e4n mahdollistaa suprajohteille ominainen energia-aukko, joka tarkoittaa, ett\u00e4 tietyill\u00e4 energian arvoilla suprajohteessa ei ole sallittuja tiloja, joille elektronit voisivat asettua. Energia-aukko sijoittuu keskitetysti Fermi-energian E_F kohtaan, joka tarkoittaa ett\u00e4 l\u00e4mp\u00f6tilassa T = 0 kaikki Fermi-energian alapuolella olevat tilat ovat miehitettyj\u00e4 ja sen yl\u00e4puolella olevat tyhjill\u00e4\u00e4n. Kun normaalimetallin ja suprajohteen v\u00e4lille kytket\u00e4\u00e4n j\u00e4nnite, metallien Fermi-tasoja voidaan muuttaa, ja elektronit pystyv\u00e4t tunneloitumaan normaalimetallista suprajohteeseen. Sopivalla j\u00e4nnitteen arvolla vain korkeimman energian omaavat elektronit normaalimetallissa ovat energiassa suprajohteen energia-aukon yl\u00e4puolella, joten vain ne pystyv\u00e4t tunneloitumaan. T\u00e4m\u00e4 pienent\u00e4\u00e4 normaalimetallin keskim\u00e4\u00e4r\u00e4ist\u00e4 energiaa, joten sen l\u00e4mp\u00f6tila laskee.\r\n\r\nSINIS-tunneliliitoksen j\u00e4\u00e4hdytysteho on verrannollinen liitoksen pintaalaan ja energia-aukon neli\u00f6juureen. T\u00e4m\u00e4n takia j\u00e4\u00e4hdytystehoa saadaan teorian mukaan kasvatettua k\u00e4ytt\u00e4m\u00e4ll\u00e4 mahdollisimman suuria liitospintaaloja ja suprajohdemateriaaleja, joilla on mahdollisimman suuri energiaaukko.\r\n\r\nT\u00e4ss\u00e4 ty\u00f6ss\u00e4 valmistettiin 60 \u00b5m x 60 \u00b5m ja 30 \u00b5m x 30 \u00b5m Al/AlOx/Cu SINIS liitoksia ja mitattiin niiden virta-j\u00e4nnite k\u00e4ytt\u00e4ytymist\u00e4 matalissa l\u00e4mp\u00f6tiloissa. Alumiinin lis\u00e4ksi my\u00f6s niobia kokeiltiin suprajohdemateriaalina, koska sill\u00e4 on alkuainesuprajohteista suurin energia-aukko. Tulokset osoittavat, ett\u00e4 valmiiden n\u00e4ytteiden k\u00e4ytt\u00e4ytyminen eroaa ideaalisesta teorian mukaisesta k\u00e4ytt\u00e4ytymisest\u00e4, mutta siin\u00e4 on kuitenkin selv\u00e4sti n\u00e4ht\u00e4viss\u00e4 tyypillisi\u00e4 tunneliliitoksille ominaisia piirteit\u00e4.", "language": "fi", "element": "description", "qualifier": "abstract", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.abstract", "value": "NIS tunnel junctions are small-scale structures consisting of a superconductor and a normal metal separated by a thin insulating barrier. They can be used in cooling applications at ultra low temperatures. A SINIS junction contains two NIS junctions in series. The cooling power of the device is proportional to the area of the junction and the energy gap of the superconductor.\r\nIn this work large-area Al/AlOx/Cu junctions were fabricated with standard lithographic techniques and ultra high vacuum evaporation. The areas of the junctions are 60 \u00b5m x 60 \u00b5m and 30 \u00b5m x 30 \u00b5m. Current-voltage characteristics of the devices were measured at millikelvin temperature range using 3He-4He-dilution refrigerator. The obtained IV and dI/dV data deviates from ideal BCS behavior, but still shows some typical tunnel junction characteristics. In addition to aluminum, Nb/Al/AlOx/Cu junctions with niobium as the superconducting electrode were also fabricated. Nb is the element with the highest energy gap, making it theoretically ideal material for SINIS cooler fabrication.", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "abstract", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted using Plone Publishing form by Ville Valkiala (vipevalk) on 2015-12-17 13:47:38.657607. Form: Pro gradu -lomake (https://kirjasto.jyu.fi/julkaisut/julkaisulomakkeet/pro-gradu-lomake). JyX data: [jyx_publishing-allowed (fi) =True]", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted by jyx lomake-julkaisija (jyx-julkaisija.group@korppi.jyu.fi) on 2015-12-17T13:47:39Z\r\nNo. of bitstreams: 2\r\nURN:NBN:fi:jyu-201512174095.pdf: 2651925 bytes, checksum: 0f0d6274321b8b0a05edbce8423e1f3e (MD5)\r\nlicense.html: 4817 bytes, checksum: 30db68f1f589f2beb3f1d0ec656a4bf0 (MD5)", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Made available in DSpace on 2015-12-17T13:47:39Z (GMT). No. of bitstreams: 2\r\nURN:NBN:fi:jyu-201512174095.pdf: 2651925 bytes, checksum: 0f0d6274321b8b0a05edbce8423e1f3e (MD5)\r\nlicense.html: 4817 bytes, checksum: 30db68f1f589f2beb3f1d0ec656a4bf0 (MD5)\r\n Previous issue date: 2015", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.extent", "value": "1 verkkoaineisto (63 sivua)", "language": null, "element": "format", "qualifier": "extent", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.mimetype", "value": "application/pdf", "language": null, "element": "format", "qualifier": "mimetype", "schema": "dc"}, {"key": "dc.language.iso", "value": "eng", "language": null, "element": "language", "qualifier": "iso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights", "value": "In Copyright", "language": "en", "element": "rights", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "tunneliliitokset", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.title", "value": "Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications", "language": null, "element": "title", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.type", "value": "master thesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.urn", "value": "URN:NBN:fi:jyu-201512174095", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "urn", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Pro gradu -tutkielma", "language": "fi", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Master\u2019s thesis", "language": "en", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Faculty of Sciences", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Fysiikan laitos", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Department of Physics", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "University of Jyv\u00e4skyl\u00e4", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "Jyv\u00e4skyl\u00e4n yliopisto", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Soveltava fysiikka", "language": "fi", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Applied Physics", "language": "en", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.updated", "value": "2015-12-17T13:47:40Z", "language": "", "element": "date", "qualifier": "updated", "schema": "dc"}, {"key": "yvv.contractresearch.funding", "value": "0", "language": "", "element": "contractresearch", "qualifier": "funding", "schema": "yvv"}, {"key": "dc.type.coar", "value": "http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc", "language": null, "element": "type", "qualifier": "coar", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.accesslevel", "value": "openAccess", "language": "fi", "element": "rights", "qualifier": "accesslevel", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.publication", "value": "masterThesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": "publication", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.oppiainekoodi", "value": "4023", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "oppiainekoodi", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "j\u00e4\u00e4hdytys", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "suprajohtavuus", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.content", "value": "fulltext", "language": null, "element": "format", "qualifier": "content", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.url", "value": "https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/", "language": null, "element": "rights", "qualifier": "url", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.okm", "value": "G2", "language": null, "element": "type", "qualifier": "okm", "schema": "dc"}]
id jyx.123456789_48178
language eng
last_indexed 2025-03-31T20:02:47Z
main_date 2015-01-01T00:00:00Z
main_date_str 2015
online_boolean 1
online_urls_str_mv {"url":"https:\/\/jyx.jyu.fi\/bitstreams\/86ddf516-dec8-431a-b20e-126a4bff35b4\/download","text":"URN:NBN:fi:jyu-201512174095.pdf","source":"jyx","mediaType":"application\/pdf"}
publishDate 2015
record_format qdc
source_str_mv jyx
spellingShingle Valkiala, Ville Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications tunneliliitokset Soveltava fysiikka Applied Physics 4023 jäähdytys suprajohtavuus
title Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications
title_full Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications
title_fullStr Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications
title_full_unstemmed Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications
title_short Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications
title_sort large area sinis tunnel junctions for cooling applications
title_txtP Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications
topic tunneliliitokset Soveltava fysiikka Applied Physics 4023 jäähdytys suprajohtavuus
topic_facet 4023 Applied Physics Soveltava fysiikka jäähdytys suprajohtavuus tunneliliitokset
url https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/48178 http://www.urn.fi/URN:NBN:fi:jyu-201512174095
work_keys_str_mv AT valkialaville largeareasinistunneljunctionsforcoolingapplications