氮化铌薄膜及其纳米线超导性能研究

摘要

超导纳米线单光子检测(Superconducting Nanowire-based Single-Photon Detector,SNSPD)拥有单光子检测的所有关键参数的突破，是一种潜在的、革命性的单光子检测技术。由于超导氮化铌具有合适的相干长度和穿透深度，目前应用在SNSPD的材料主要是氮化铌(Niobium Nitride,NbN)。因此找到一种生长高质量氮化铌超导薄膜的方法显得尤其重要。
　　聚合物辅助沉积（Polymer Assisted Deposition,PAD）是一种我们发展的化学溶液沉积技术，现已用于生长外延复杂金属氧化物、氮化物及碳化物薄膜，不但用来生长各种高质量外延薄膜，而且对薄膜生长过程中的化学理解和成核生长提供了一个认识平台。
　　本论文以PAD法和磁控溅射法生长超薄超导薄膜为起点，微加工后的超导纳米线为研究对象，开展超导纳米线单光子检测技术的基础研究。拟解决的关键科学问题是分析超薄超导薄膜生长的机制，研究微加工手段对超导纳米线性能的影响。具体研究内容概括如下：
　　1.发展可溶聚合物辅助沉积薄膜生长的方法，利用均相溶液控制生长高质量超导氮化铌薄膜。我们发展了一种化学法-聚合物辅助沉积生长大晶格适配的超导氮化铌薄膜方法，将氯化铌和聚乙烯亚胺（PEI）配成前驱体溶液，在合适的基底上旋涂成膜并在氨气氛围下退火得到氮化铌薄膜。同时我们还利用PAD在石英基底上拓展生长出透明导电的高质量碳膜，并研究了其电学性能。
　　2.在物理法-磁控溅射控制生长高质量的超薄超导氮化铌薄膜方面，我们仔细研究了气压、气氛比、溅射功率、基底、溅射时间等因素对氮化铌薄膜的影响，迄今为止已经解决了高性能超薄（<10nm）NbN薄膜的制备问题，这些薄膜达到了超导单光子检测对氮化铌薄膜材料的要求。
　　3.在超导迂回氮化铌纳米线刻蚀方面，我们深入的探索了感应耦合等离子刻蚀和反应离子束刻蚀两种刻蚀方法，找到了利用掩膜板为辅助刻蚀不同线宽和迂回纳米线的高效方法，已成功刻蚀出转变温度和临界电流密度都很优异的不同迂回数目的纳米线图案。

目录

声明

第一章 引 言

1.1 超导材料的介绍

1.2 NbN的晶体结构和基本特性

1.3 NbN薄膜的研究现状

1.4 NbN薄膜的制备方法

1.4.1 磁控溅射法（Magnetron Sputtering）

1.4.2 脉冲激光沉积（PLD-Pulsed Laser Deposition）

1.5 研究内容和意义

1.5.1 本文的总体思路和框架

1.5.2 本文主要研究内容和目标

1.5.3 本文的研究意义

第二章 薄膜的制备技术和表征方法

2.1 磁控溅射技术

2.2 聚合物辅助沉积法

2.2.1 聚合物辅助沉积方法简介

2.2.2 聚合物辅助沉积方法的设备

2.3 薄膜样品的表征方法

2.3.1 X射线衍射（XRD）

2.3.2 原子力显微镜（AFM）

2.3.3 场发射扫描电子显微镜（FESEM）

2.3.4 综合物性测量系统（PPMS）

第三章 NbN薄膜的制备及其性质分析

3.1 PAD法生长NbN薄膜

3.1.1 实验材料

3.1.2 前驱体配制

3.1.3 旋涂法镀膜

3.1.4 管式炉退火处理

3.1.5 NbN薄膜的性质分析

3.1.6 NbN粉体的制备

3.1.7 NbN薄膜的制备

3.2 PAD法生长其他薄膜的尝试

3.2.1 实验的材料

3.2.2 薄膜的制备

3.2.3 碳膜的性质分析

3.3 直流磁控溅射

3.3.1 实验的材料

3.3.2 实验的步骤

3.3.3 反应直流磁控溅射“过渡模式”研究

3.3.4 背底真空度对薄膜性能的影响

3.3.5 溅射功率对超导转变温度的影响

3.3.6 氮氩比对超导转变温度的影响

3.3.7 工作总压对超导转变温度的影响

3.3.8 超薄NbN薄膜的制备

第四章 迂回纳米线的刻蚀及卷管阵列的探索

4.1 超导迂回纳米线刻蚀

4.2 超导卷管阵列的探索

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果

致谢