面向微波应用的铊系高温超导薄膜研究

摘要

T1-2212高温超导薄膜具有超导转变温度高、临界电流密度大、微波表面电阻低以及环境稳定性好等优点,是制作高性能超导微波无源器件的优良材料。在制备T1-2212高温超导薄膜的众多衬底材料中,蓝宝石和MgO单晶基片具有适中的介电常数和较低的微波损耗,因此非常适合于在微波领域的应用。特别是大面积的蓝宝石单晶基片价格相对较低,对T1-2212高温超导薄膜在微波领域中的应用和推广有着重要的意义。
　　 本论文系统研究了在蓝宝石和MgO衬底上制备T1-2212高温超导薄膜的生长规律,深入研究了不同工艺条件对超导薄膜结晶质量及超导性能的影响,并制备了高质量的面向微波应用的大面积高温超导薄膜。本论文的具体研究内容和研究成果如下:
　　 1、以金属铈作为溅射靶,采用射频磁控反应溅射的方法在蓝宝石(1102)衬底上原位生长了CeO2缓冲薄膜。研究了不同的生长工艺对CeO2薄膜晶体结构、表面形貌以及基片和缓冲层界面处元素扩散的影响。在最佳工艺条件下生长的厚度为40 nm的CeO2缓冲薄膜具有较好的结晶质量和较低的表面粗糙度,并且可以有效阻止基片中的元素扩散至T1-2212超导薄膜中。
　　 2、系统研究了CeO2缓冲层的生长工艺条件对T1-2212超导薄膜晶体结构和超导电性的影响。在最优化工艺条件下制备的T1-2212超导薄膜具有较好的c轴取向一致性。薄膜的最高超导转变温度Tc可达107 K,临界电流密度Jc达到6 MA/cm2(77K,0T)。
　　 3、在10 mm×10 mm的双面抛光蓝宝石基片上以CeO2薄膜作为缓冲层生长了双面T1-2212超导薄膜。薄膜具有较高的结晶质量和两面一致性,Tc达到106.7K,临界电流密度分别为4.25 MA/cm2和5 MA/cm2(77 K,0 T)。
　　 4、在直径为2英寸的双面抛光蓝宝石基片上研制出了高质量的双面T1-2212高温超导薄膜。测试结果表明,在整个基片范围内薄膜具有均匀的超导电性分布,超导转变温度Tc大于105 K,ΔT小于0.3 K。在77 K,0 T条件下薄膜的临界电流密度Jc均大于1.5 MA/cm2,微波表面电阻Rs小于450μΩ(77 K,10GHz),表明薄膜具有良好的微波性能。
　　 5、研究了MgO单晶基片的高温处理对表面晶体结构以及CeO2薄膜生长的影响；研究了在经过高温处理的MgO单晶基片外延生长CeO2缓冲薄膜的工艺条件；在直径为2英寸的MgO基片上以最优化工艺制备了CeO2缓冲薄膜,分析了大面积缓冲薄膜的厚度分布和晶体结构的均匀性。结果表明,对MgO单晶基片进行高温处理可有效去除表面潮解层、污染层和损伤层,使基片表面的晶体结构得到很大改善,可大大提高CeO2薄膜的结晶质量。在最优化工艺下制备的大面积CeO2薄膜具有较好的结晶质量和厚度分布均匀性。
　　 6、研究了在MgO单晶基片上生长的CeO2缓冲层对T1-2212高温超导薄膜晶体结构和超导电性的影响,为大面积T1-2212超导薄膜的制备奠定基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 高温超导体及其应用简介

第二节 高温超导薄膜简述

1.2.1 高温超导薄膜简述

1.2.2 高温超导薄膜的主要制备方法

1.2.3 高温超导薄膜的基片选择

1.2.4 缓冲材料的选择

第三节 论文研究背景和意义

1.3.1 T1-2212高温超导薄膜

1.3.2 大面积高温超导薄膜

1.3.3 本论文的研究意义及结构

参考文献

第二章 缓冲薄膜和超导薄膜的制备及其表征方法

第一节 CeO2缓冲薄膜和T1-2212超导薄膜的制备

2.1.1 CeO2缓冲薄膜的制备

2.1.2 T1-2212高温超导薄膜的制备

第二节 缓冲薄膜和超导薄膜分析表征方法

2.2.1 薄膜的分析表征方法

2.2.2 高温超导薄膜的超导电性分析

参考文献

第三章 蓝宝石基片上生长双面CeO2缓冲薄膜

第一节 Ceo2缓冲薄膜的制备

3.1.1 CeO2薄膜的制备方法

3.1.2 基片温度对CeO2薄膜生长的影响

3.1.3 溅射气压对CeO2薄膜生长的影响

3.1.4 溅射功率对CeO2薄膜生长的影响

第二节 CeO2薄膜的高温热处理

3.2.1 高温处理对CeO2薄膜表面形貌的影响

3.2.2 高温处理对CeO2薄膜晶体结构和元素扩散的影响

第四节 不同厚度的CeO2薄膜

第五节 双面CeO2缓冲薄膜的制备与分析

第六节 本章小结

参考文献

第四章 蓝宝石基片上制备T12Ba2CaCu2O8高温超导薄膜

第一节 CeO2缓冲层上制备T1-2212超导薄膜

4.1.1.T1-2212超导薄膜的制备

4.1.2.CeO2薄膜的制各工艺对T1-2212薄膜生长的影响

4.1.3.CeO2薄膜的高温热处理对T1-2212薄膜生长的影响

4.1.4.双面T1-2212高温超导薄膜的制备

第二节 大面积T1-2212超导薄膜的制备

4.2.1.大面积CeO2缓冲薄膜的制备

4.2.2 大面积T1-2212高温超导薄膜的制备

第三节 本章小结

参考文献

第五章 MgO基片上制备T12Ba2CaCu2O8高温超导薄膜

第一节 MgO基片的高温热处理

5.1.1 高温热处理对MgO晶体结构的影响

5.1.2 MgO基片高温热处理对CeO2缓冲层的影响

第二节 CeO2缓冲薄膜的制备

5.2.1 基片温度对CeO2薄膜生长的影响

5.2.2 溅射总气压对ceO2薄膜生长的影响

5.2.3 溅射功率对CeO2薄膜生长的影响

第三节 T1-2212超导薄膜的制备

5.3.1.T1-2212超导薄膜的制备

5.3.2.在MgO基片上生长T1-2212超导薄膜

5.3.3.基片退火对T1-2212超导薄膜的影响

5.3.4.不同溅射条什生长的CeO2缓冲层对T1-2212超导薄膜的影响

第四节 在MgO基片上制备双面T1-2212超导薄膜

第五节 在MgO基片上制备大面积CeO2缓冲薄膜

5.5.1.大面积CeO2缓冲薄膜的制备

第六节 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果