高温超导平面约瑟夫森器件的制备和性能研究

论文摘要

自从高温超导材料发现以来,它的机理和应用研究一直是热门课题。高温超导所具有的在液氮温区转变温度,使它具有诱人的应用前景,在有源器件领域,约瑟夫森器件研究是最活跃的一个课题。由超导结构成的SQUID被用于大地的磁测量,心磁、脑磁的测量,无损检测和数字电路中。要实现超导有源器件的集成化并与外围电路相匹配,就要有性能优良、重复性好的超导结,同时要求有高质量的超导薄膜。本文首先对高温超导约瑟夫森结和SQUID理论及其近几年来在高温超导领域的进展进行了简单的综述,这部分构成了本论文工作的理论基础和跟踪国际上高速发展的超导器件的重要参考资料。第二章介绍了高温超导薄膜的制备和特性,采用脉冲激光沉积制备YBCO薄膜,摸索出YBCO薄膜生长的最佳工艺条件。采用XRD、AFM等分析手段研究了YBCO薄膜的晶体结构和表面形貌。制备出Tc达到92.5K,转变宽度只有0.5K的高质量超导薄膜。第三章对常用的微加工手段做了介绍,并尝试采用微加工的方法制备了纳米桥型约瑟夫森结,探索了金属纳米掩膜制备高温超导约瑟夫森结的制备方法。优化了工艺,克服了实验中出现的裂纹现象。制作纳米掩膜结之前,还用离子辐照整片YBCO薄膜,对离子辐照对YBCO薄膜超导电性的影响做了初步的探讨,利用能量120 KeV的H2+离子,改变注入剂量从1.0×1012ion/cm2到1.0×1017ion/cm2,当剂量逐渐增大时,样品的正常态电阻增大,Tc转变点往低温方向偏移,当剂量超过一定阈值时,样品的导电行为变成了类似半导体的性质。XRD研究表明,离子辐照并不能产生新的衍射峰,离子辐照只是产生点缺陷,影响超导薄膜铜氧链的氧含量,并在铜氧面上产生缺陷,从而影响超导电性。通过辐照实验确定了合适的做结的辐照剂量,应用辐照的方法基本上制备出了YBCO约瑟夫森结。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 高温氧化物超导体结构机理的概述
• 1.2 Josephson 结理论
• 1.3 RSJ 模型
• 1.4 高Tc 超导薄膜
• 1.5 高Tc 超导约瑟夫森结
• 1.5.1 人工晶界结
• 1.5.2 S-N-S 临近效应结
• 1.5.3 纳米微桥结
• 1.5.4 微区弱化结
• 1.6 结论
• 2 薄膜的制备
• 2.1 薄膜制备技术
• 2.1.1 磁控溅射
• 2.1.2 脉冲激光沉积
• 2.2 脉冲激光沉积技术制备YBCO 薄膜
• 2.2.1 影响YBCO 薄膜生长的主要参数
• 2.2.2 YBCO 薄膜的制备
• 2.2.3 实验结果
• 2.3 小结
• 3 纳米金属掩膜和离子辐照技术制备高温超导约瑟夫森结
• 3.1 微纳米加工技术简介
• 3.1.1 光学曝光
• 3.1.2 电子束曝光技术
• 3.1.3 聚焦离子束系统
• 3.1.4 刻蚀技术
• 2⁺离子注入对YBCO 薄膜性能的影响'>3.2 H₂⁺离子注入对YBCO 薄膜性能的影响
• 3.2.1 离子注入技术的介绍
• 2⁺离子注入对YBCO 薄膜材料性能的影响'>3.2.2 H₂⁺离子注入对YBCO 薄膜材料性能的影响
• 3.3 纳米桥型约瑟约瑟夫森器件的制备
• 3.3.1 实验流程
• 3.3.2 实验结果
• 3.4 纳米金属掩膜和离子辐照技术制备高温超导约瑟夫森结
• 3.4.1 实验过程
• 3.4.2 实验中出现的问题
• 3.4.3 实验结果
• 3.5 小结
• 4 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录