基于MgO衬底上的MgB2薄膜的制备和性质的研究

摘要

新型超导体MgB2的超导转变温度达到了39K，接近BCS理论的极限，介于传统的高温氧化物超导材料和低温超导材料中间。与氧化物高温超导体相比较，MgB2的晶体结构很简单，重复率高，加工过程相对容易，超导电流几乎不受晶界的影响，在制备的过程中可以通过元素掺杂进一步提高它的超导性能。与低温超导材料对比，MgB2超导材料可以工作在小型制冷机可以达到的温度范围内，比低温超导体拥有更广泛的应用空间。由于MgB2超导体具有很好的理论研究价值和应用前景，已经成为目前国际超导技术领域研究的热点之一。 本论文介绍了MgB2的基本结构，应用，性质和制备方法，并重点研究了在MgO衬底上制备不同厚度的MgB2超薄膜的性质。 本文主要采用的技术为混合物理化学气相沉积法(HPCVD)，利用这种方法在SiC衬底和MgO衬底上制备MgB2薄膜。首先研究了在SiC衬底上制备MgB2薄膜时，不同实验参数对MgB2成膜质量的影响，从得到实验数据来分析了制备出高质量的MgB2薄膜的最佳实验室条件。其次，在这个基础上我们在背景气体压强，沉积时间以及载气氢气流量一定的情况下，改变B2H6的流量，在MgO衬底上制备出不同厚度的MgB2超薄膜，并进行测量其超导转变温度TC，临界电流密度JC等临界参量。 分析结构表明，生长的MgB2超薄膜是C轴取向，遵守岛状模式的规律，随着厚度的增加，MgB2超薄膜的临界温度也升高，而剩余电阻率降低。当厚度变大的时候，膜的均匀性和连接性很好。而且外延性比SiC衬底上所制备的MgB2超薄膜更好。其中厚度为20nm的样品在零磁场，当T=5K时，临界电流为JC≈2.3×107A/cm2，而且膜的表面很平整，连接性也较好。这说明在MgO衬底上制备的MgB2超薄膜的性能很好，并预示了其在超导电子器件中广阔的应用前景。 此外，本文还总结了MgB2薄膜制备的方法特点以及今后工作的方向。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 超导的基本概念

1．2 MgB2超导体

1．2．1 MgB2晶体结构

1．2．2 MgB2的能级结构

1．2．3 MgB2同位素效应

1．2．4 MgB2上临界磁场HC2(T)

1．2．5 MgB2临界电流密度JC

1．3 MgB2的研究背景与现状

1．3．1 MgB2的研究背景

1．3．2 MgB2的研究现状

1．4 MgB2的应用优势

1．5 本章小结

第2章 制备MgB2薄膜的实验仪器介绍

2．1 X射线衍射仪(XRD)

2．2 电学磁学性质测量系统

2．3 扫描电子显微镜

2．4 膜厚的测量

2．5 本章小结

第3章 HPCVD方法制备MgB2超导薄膜样品

3．1 HPCVD方法制备MgB2薄膜实验装置

3．2 HPCVD方法中影响MgB2薄膜质量的因素

3．2．1 Mg源

3．2．2 反应舱

3．2．3 气体的纯度

3．2．4 温度的控制

3．2．5 衬底

3．2．6 载气

3．2．7 系统总压强

3．3 HPCVD方法中影响沉积速率的因素

3．3．1 B2H6的流量与浓度

3．3．2 沉积温度

3．3．3 气体流速

3．3．4 载气的流量

3．4 本章小结

第4章 HPCVD方法制备MgB2超导薄膜的性质研究

4．1 HPCVD法制备MgB2薄膜的实验步骤

4．1．1 准备工作

4．1．2 反应与沉积

4．1．3 保存和清理

4．1．4 基本参数

4．2 在不同实验参数下制备MgB2薄膜的性质研究

4．2．1 改变反应舱的背景压强

4．2．2 改变反应温度

4．2．3 改变B2H6的流量

4．2．4 改变沉积时间

4．2．5 本节小结

4．3 在MgO衬底上制备MgB2薄膜性质的研究

4．3．1 实验过程与实验条件

4．3．2 结果分析与讨论

4．3．3 本节小结

第5章 结论和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢