高质量Tl-2212超导薄膜制备的条件探索——CeO缓冲层的退火研究

摘要

高温超导薄膜材料是超导电子学的应用基础。目前，铊系和钇系HTS薄膜受到人们更多的关注。T1-2212超导薄膜的临界温度和临界电流密度高、微波表面电阻低，在空气中抗潮湿能力强、性能稳定，因此，高质量的T1-2212超导薄膜的生长是一个重要的研究方向。
　　 在实验中，我们尝试了几种不同的衬底材料，发现LaAlO3（001）与T1-2212的晶格匹配较好，但在制备T1-2212薄膜过程中，LaAlO3会发生结构相变，进而出现孪晶，而且LaAlO3（001）的介电常数较大，增大了制备微波无源器件的难度。对于微波无源器件，蓝宝石（1102）是适合的衬底材料，但蓝宝石与T1-2212间晶格常数、热膨胀系数差别大，在高温下，相互间的扩散严重，严重影响T1-2212的结晶取向和超导性能。解决这一问题的方法是首先在蓝宝石衬底上生长一层CeO2缓冲层，然后再生长T1-2212薄膜。蓝宝石的表面结构以及缓冲层的结晶质量对T1-2212超导薄膜的生长至关重要。本文对这两个问题进行了深入研究。
　　 我们之前研究了基片热处理对蓝宝石（1102）基片表面形貌、单晶性能的改进，并且研究了基片热处理对生长CeO2薄膜和T1-2212超导薄膜的影响。本文中我们重点研究不同的高温热处理对CeO2薄膜结晶性能和表面形貌的影响，以及对T1-2212薄膜的超导性能的影响。结果表明，在我们的实验条件中，蓝宝石基片在1000℃下退火20h时，其表面形貌最好，粗糙度最小，对提高CeO2薄膜以及T1-2212薄膜的质量有很大的帮助。CeO2薄膜在950℃下退火1h后，表面形貌较好，方均根粗糙度为0.228nm，在此缓冲层上制备了厚度为500nm的T1-2212超导薄膜，XRD、摇摆曲线以及Ф扫描的结构证实，该薄膜是高质量的C-轴织构外延薄膜，其临界转变温度Tc达到107K，零场、液氮温度下的临界电流密度Jc为3.9MA/c㎡，77K、10GHz条件下的微波表面电阻Rs为28μΩ。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 超导技术的发展简史

第二节 高温超导薄膜的应用

第三节 本文研究的内容

第二章 高温超导薄膜概述

第一节 超导体的特性

2.1.1 零电阻特性

2.1.2 迈斯纳效应

2.1.3 约瑟夫森效应

第二节 高温超导薄膜的基本特征参数

2.2.1 临界转变温度

2.2.2 临界电流密度

2.2.3 微波表面电阻

第三节 高温超导薄膜超导机制及电性机理

2.3.1 高温超导薄膜的超导机制

2.3.2 高温超导薄膜的电性机理

第三章 高温超导薄膜的制备和生长及分析、测试方法

第一节 高温超导薄膜的制备

3.1.1 高温超导薄膜的制备

3.1.2 高温超导薄膜的制备工艺流程

第二节 高温超导薄膜的分析技术

3.3.1 形貌分析

3.3.2 结构分析

3.3.3 成分分析

第三节 高温超导薄膜的测试方法

3.4.1 超导薄膜厚度的测定

3.4.2 超导转变温度的测定

3.4.3 微波表面电阻的测定

3.4.4 临界电流密度的测定

第四章 CeO2薄膜的退火研究及高质量T1-2212薄膜的制备

第一节 探索对蓝宝石衬底的适宜的高温热处理条件

4.1.1 高温退火对蓝宝石基片表面形貌的影响

4.1.2 基片的高温退火对CeO2薄膜的影响

第二节 退火条件对CeO2薄膜及T1-2212薄膜超导特性的影响

4.2.1 不同的退火温度对CeO2薄膜及对T1-2212薄膜超导特性的影响

4.2.2 不同的退火时间对CeO2薄膜及对T1-2212薄膜超导特性的影响

4.2.3 实验结论

第三节 在蓝宝石上制备双面T1-2212超导薄膜

4.3.1 双面CeO2缓冲层的结构

4.3.2 双面T1-2212超导薄膜的结构

4.3.3 双面T1-2212超导薄膜的形貌

4.3.4 双面T1-2212超导薄膜的超导特性

第五章 结论及展望

致谢

参考文献

个人简历

学术论文和参与研究课题