Noise heat transfer of a tunnel junction in a resistive environment
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Koski, Jonne
Date
2012
Department
Major/Subject
Optiikka ja molekyylimateriaalit
Mcode
Tfy-125
Degree programme
Language
en
Pages
vi + 52
Series
Abstract
Noise is usually considered an undesirable property of a measured system. It distorts the data and causes error in the analysis. It is important to know of the nature and origins of noise, such that it can be controlled and avoided. In electronics, noise is observed as current or voltage noise. One of the most well-known form of noise is Johnson-Nyquist noise, also known as thermal noise, which arises from dissipative circuit elements. Voltage noise is proportional to the circuit element temperature and real part of impedance. Electric noise thus exists even if no current or voltage is applied. Although noise does not carry net current, it may transfer heat. Thermal noise transports heat between two dissipative elements. Although the basic origin of electric noise has been known for decades, its thermal transport properties have been studied only for less than a decade. Moreover, there are only a few experiments related to thermal transport by noise, as the heat transfer rates of noise are very low and may only be detected at very low temperatures in nano scale structures. Tunnel junctions are one of the relevant structures in nanoelectronics. Electrons and quasiparticles transport charge through an insulating layer between two electrodes. The behavior of a tunnel junction in an electric environment may be treated with environment, or P(E), theory, according to which tunneling electrons and quasiparticles may emit or absorb photons from the environment during the tunneling process. This theory also describes how the environment transports heat to the junction. However a recently published research predicts that the heat transfer is greatly amplified. The objective of this thesis is to experimentally study how a tunnel junction conducts heat in a resistive environment. This thesis describes methods for temperature adjustments and measurements at low temperatures, as well as for analyzing the environment. A nano scale sample is fabricated and measured at low temperatures. The heat conductance of the junction,the heat transfer between the junction and the environment, and the joule heating were measured and analyzed.Kohina tunnetaan usein haitallisena ominaisuutena mittauksissa. Se vääristää mittaustuloksia ja vaikeuttaa niiden analysointia. Niinpä onkin tärkeää tuntea kohinan aiheuttaja, sillä sitä kautta kohinaa voidaan hallita ja välttää. Elektroniikassa havaitaan jännite- ja virtakohinaa. Eräs tunnetuimpia kohinamuotoja on Johnson-Nyquist - eli lämpökohina, joka syntyy dissipatiivisissa elementeissä. Tällainen jännitekohina on suoraan verrannollisesti lämpötilaan ja elementin impedanssin reaaliarvoon. Sähköistä kohinaa siis esiintyy, vaikka virtaa tai jännitettä ei syötettäisi ollenkaan. Vaikka sähköinen kohina ei kuljeta nettovirtaa, voi se silti kuljettaa lämpöä. Lämpö siirtyy kohinan välittämänä kahden dissipatiivisen elementin välillä. Vaikka sähköisen kohinan aiheuttaja on tunnettu vuosikymmeniä, on sen lämmönkuljetusominaisuutta tutkittu vasta alle vuosikymmen. Varsinkaan siihen liittyviä mittauksia on tehty hyvin vähän, sillä lämpövuo on heikkoa, ja voidaan havaita vasta hyvin matalissa lämpötiloissa nanomittakaavan rakenteissa. Tunneliliitokset ovat yksi olennaisista nanoelektroniikan rakenteista. Niissä elektronit tai kvasipartikkelit tunneloituvat kahden elektrodin välillä eristekerroksen läpi kuljettaen varausta. Tunneliliitoksen käytöstä sähköisessä ympäristössä voidaan käsitellä ympäristöteorialla, jonka mukaan tunneloituvat elektronit tai kvasipartikkelit voivat tunneloitumisprosessin aikana absorboida tai emittoida ympäristön säteilemiä fotoneita. Kyseinen teoria kuvaa myös, miten ympäristö kuljettaa tunneliliitokseen lämpöä. Hiljattain julkaistussa tutkimuksessa tosin tunneliliitolle ennustetaan tätä voimakkaampaa lämmönvaihtoa ympäristön kanssa. Tämän diplomityön päämääränä on tutkia kokeellisesti miten tunneliliitos johtaa lämpöä resistiivisessä ympäristössä. Työssä kuvataan menetelmät lämpötilan säätämiseen ja mittaamiseen matalissa lämpötiloissa, sekä ympäristön analysoimiseen. Työssä valmistettiin nanomittakaavan näyte, jota mitattiin matalissa lämpötiloissa. Tunneliliitoksen lämmönjohtavuus, lämmönsiirto ympäristön ja liitoksen välillä, sekä joulen lämmitys analysoidaan mittaustuloksissa.Description
Supervisor
Kaivola, MattiThesis advisor
Pekola, JukkaKeywords
thermal noise, lämpökohina, tunnel junction, tunneliliitos