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利用金属—真空—超导结进行电子隧穿制冷的理论分析

作　者: 张鑫
导　师: 张殿琳
学　校: 西北大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 金属—真空—超导结隧穿制冷低温
分类号: O511
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 53次
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内容摘要

对于凝聚态物理，低温、特别是极低温，是研究凝聚态的诸多量子特性的重要条件。目前，商用制冷机已经可以实现从室温到4K以下的连续调节，但是对于1K以下极低温的获得，仍需借助于另外的方法，这些方法有：H_e3、H_e4减压蒸发制冷，H_e3绝热压缩制冷，稀释制冷，绝热去磁制冷等。这几种获得极低温的制冷方法结构复杂、机构庞大、噪声大并且运行成本高。本论文就是要探讨一种获取超低温的较简单的途径——利用NVS结进行电子隧穿制冷。金属—真空—超导体隧道结简称NVS结，它由冷端——正常金属层、真空层和热端——超导金属层（超导能隙为Δ）三者组成。利用NVS结进行电子隧穿制冷的原理比较简单：在最优化的直流偏压V_bias(eV_bias=Δ)的作用下，冷端金属的费米能级被抬高到恰好和热端超导能隙的上边缘齐平。冷端费米能级以上的电子（动能大的电子）较容易隧穿过真空势垒，到达热端，但是因为超导能隙的限制，费米能级以下的电子（动能小的电子）的隧穿几率将大大减小，又因为冷端补充进来的是平均电子（包括动能大的电子和动能小的电子），所以导致冷端电子的温度被降低；而且通过电声耦合，晶格温度也被冷却下来，最终冷端的温度得以降低。本论文计算和分析了利用NVS隧道结从液氦温度（4.2K）开始制冷的可行性，并讨论了不同的物理参量对制冷功率的影响。计算结果表明：当外加偏压取最优化的值V_bias(eV_bias=Δ)时，真空层的宽度、超导能隙、金属的脱出功等参数对制冷功率都有很大的影响。下面简要说明：1、制冷功率的大小随真空层宽度d的减小近似呈指数增长的关系；2、超导能隙增大，制冷功率将增大，但是制冷效率随超导能隙的增大而减小，这说明超导能隙的选择有一个优化值；3、材料的脱出功越小，制冷效果越好。利用NVS隧道结的制冷方法主要有两大优点：首先，可以获得一个很宽的温度范围，在4K-1mk之间都有可观的制冷量；其次，相对于传统的制冷方法而言，这种方法是直接冷却电子系统，这对于研究电子的性质非常重要。但是，要想实现其在低温实验中的应用，有一些关键性的问题亟待解决。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-7
目录  7-9
第一章引言  9-24
  §1.1 制冷技术简介  9-11
  §1.2 热电制冷  11-13
  §1.3 热电子发射制冷  13-15
  §1.4 热电子隧穿制冷  15-23
  §1.5 本论文的工作构想  23-24
第二章利用NVS结进行电子隧穿制冷  24-39
  §2.1 模型描述  24-26
  §2.2 理论计算  26-30
  §2.3 计算结果  30-35
  §2.4 技术难关  35-36
  §2.5 与已有研究方法的比较  36-38
  §2.6 小结  38-39
第三章程序设计  39-77
  §3.1 程序计算的必要性  39
  §3.2 程序的分析编辑过程  39-44
  §3.3 具体的程序  44-77
第四章结论  77-79
  §4.1 工作总结  77-78
  §4.2 前景展望  78-79
参考文献  79-84
攻读硕士学位期间发表的文章  84-85
致谢  85-86

利用金属—真空—超导结进行电子隧穿制冷的理论分析

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