利用金属—真空—超导结进行电子隧穿制冷的理论分析

论文摘要

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：He3、He4减压蒸发制冷，He3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Vbias(eVbias=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Vbias(eVbias=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。

论文目录

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