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脉冲激光沉积制备YBCO薄膜:激光诱生大颗粒的消除以及c轴择优外延生长研究

范俊  
【摘要】:目前,在超导器件应用方面,YBa2Cu3O7-δ(YBCO)薄膜是研究最多、也是最接近实用化的一种高温超导材料。有鉴于此,高质量的YBCO薄膜的制备技术和性能研究非常重要:一方面,可以用于基础物理和性能的研究,如超导机理和磁通钉扎等性能的探索;另一方面,可以制成各种功能独特的超导元器件,如约瑟夫逊结和隧道结以及微波器件等。 然而,制备高质量的YBCO薄膜仍然面临一些技术挑战,特别是对于脉冲激光沉积技术(PLD)外延生长YBCO超导薄膜存在以下两个难题:一、PLD特有的诱生大颗粒难以消除,从而造成薄膜粗糙、超导性能下降等,特别是超导微纳器件中大颗粒的存在会严重降低其性能;二、YBCO薄膜在各类单晶基片上择优取向难以精确控制,也会影响薄膜的电流传输特性。针对这两个难题,我们开展了以下的研究工作。 第一,消除PLD技术制备YBCO薄膜普遍存在的大颗粒现象。首先,通过大量的实验,总结出薄膜中大颗粒的产生规律。在此基础之上,我们发展了一种网格掩模技术,即在靶材和基片间插入一个合适的网格掩模,通过网格的尺寸和位置的调整,找到最佳的工艺参数,从而达到消除YBCO薄膜中从靶材溅射出来的大颗粒的现象。我们通过XRD、SEM、AFM等测量技术观察薄膜形貌。结果表明:该方法制备的YBCO薄膜与传统制备出来的薄膜的成相基本一致,其中网格有效地阻挡了从靶材中喷发的液滴(laser-induced particles)输运到基片上,因此,最终沉积的YBCO薄膜几乎观察不到大的颗粒,平整性也有很大的提高。 第二,不同单晶基片上外延生长c轴择优YBCO薄膜的技术及机制。首先,采用PLD在三种不同单晶基片上(MgO、SrTiO3、Si)沉积YBCO薄膜,通过工艺的优化、过渡层YSZ(yttrium-stabilized zirconia)的使用(主要在Si基片上)在三种基片上成功地制备出c轴择优的YBCO薄膜。然后,通过XRD测量技术对薄膜样品的晶体取向、微结构进行详细的表征,并结合其超导性能的测量,阐明性能与微结构之间的内在联系,并利用晶格匹配理论和界面能理论解释了薄膜的外延生长机制。


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