YBCO高温超导薄膜器件研制及光化学/辐照特性研究

【摘要】：本论文研究隶属于“超导-激光”交叉学科领域,虽“超导-激光”交叉学科在全球范围内尚处于初期建设阶段,但其重要性已引起了众多学者的广泛关注,有着极其广阔的发展前景。作为交叉学科领域,知识覆盖广、集成创新多成为了本论文的主要特点,要保持对该交叉学科的持续研究及推动,不可避免地涉及到以下三个方面的内容: 1)高温超导薄膜器件及系统研究; 2)高温超导薄膜激光化学特性研究; 3)高温超导薄膜激光辐照特性研究; 本研究以最终构建较为完整的“超导-激光”研究体系以及推动其应用作为长期目标,为能保持该研究的长期持续稳定进行,本论文侧重于开展高温超导薄膜器件及系统、光化学特性以及光辐照特性等三个方面的实验及理论研究,从而为持续发展奠定良好基础。 YBCO高温超导微波薄膜器件是利用YBCO高温超导薄膜在低温环境中优越的表面电阻性能,制作的滤波器、双工器、多工器等,其性能参数远远高于常规微波器件;YBCO薄膜的激光化学刻蚀技术是利用激光亮度高、单色性好、方向性好和相干性好的优点,可兼顾干法离子刻蚀和湿法化学刻蚀的优势,其研究成果将更加适合于批量化的YBCO薄膜刻蚀;YBCO薄膜光响应器件是利用YBCO薄膜的光学性能与一般半导体光电材料相比,其能隙至少要窄约二个数量级,又具有较高的光学吸收系数,制作的光控高温超导开关、衰减器以及其它光响应器件在众多领域都有着特殊的应用。正因如此,高温超导薄膜的器件制作技术、刻蚀技术以及光子响应特性等研究均成为国内外学者的研究热点,至今仍存在很多问题没有得到有效解决。 本文的工作就是围绕高温超导薄膜的器件制作技术、刻蚀技术以及光子响应特性等研究而开展的,主要的研究结果如下: 以高温超导薄膜的性能研究为主线,以实现其应用为目的,深入开展基本原理、监测方式、加工工艺以及器件制作四个层面的研究,争取围绕高温超导薄膜及其相关学科特性形成较为完整的可持续研究体系。 YBCO高温超导薄膜器件研制及光化学、光辐照特性研究是典型的交叉学科课题,它以高温超导薄膜特性研究为基础,涉及到包括超导学、电子学、化学、激光等众多领域,知识背景复杂,使得现阶段YBCO高温超导薄膜的器件研制及光化学、光辐照特性研究等方面均存在许多急待解决的问题。因各个方面之间互相关联,独立研究很难达到推动实际应用的目的,为保持长期的可持续研究,本论文选择以搭建研究体系为切入点,并在各个方面积极开展工作,为综合性和长期性研究奠定基础,成为本论文的主要特色之一。 本文的主要创新之处包括: 1)提出了低刻蚀误差影响、高温超导广义切比雪夫高低通级联以及限幅自保护等高温超导器件新结构、新方法,系统研究了高温超导谐振器、滤波器、双工器、接收机前端等的相关仿真、制作和测试技术。 本论文对高温超导谐振器、星载高温超导滤波器、低刻蚀误差影响高温超导滤波器、星载高温超导微波双工器、高温超导窄带广义切比雪夫函数滤波器、限幅自保护高温超导接收机前端等进行了深入的仿真及试验工作。 2)提出了YBCO高温超导薄膜的激光辅助化学刻蚀方法,并研究了激光化学刻蚀进程中的表面变化特性以及红外、电流特性等。 目前,已有的高温超导刻蚀技术主要有干法离子刻蚀、湿法化学刻蚀以及激光直写刻蚀等,这些刻蚀技术均存在一定弊端,对后期高温超导器件制作的性能均存在一定程度的影响。本论文对高温超导薄膜的激光诱导液相腐蚀技术及其相关的红外、电流特性进行了研究。 3)提出了YBCO高温超导薄膜的反应启动时长(刻蚀材料与腐蚀溶液从开始接触到腐蚀开始的时间间隔)及液层下的YBCO薄膜粗糙度的实时测量方法,并对其进行了实验研究,获得了有价值的实验结果。 随着刻蚀速率的不断提高,对时间的控制精度要求也越来越高,化学反应启动时长的存在,对快速刻蚀的时间控制而言,有着较大影响,已经不容忽视。另外,表面粗糙度是判断YBCO高温超导薄膜刻蚀技术优劣的重要指标,但对于湿法刻蚀工艺,YBCO薄膜位于液层下方,要实现YBCO薄膜在湿法刻蚀进程中表面粗糙度的实时监测具有极大的难度。现今比较成熟的材料表面粗糙度实时不接触监测方法均不能对位于液层下的腐蚀表面粗糙度变化进行实时监测,这也极大地制约了YBCO高温超导薄膜激光辅助化学刻蚀技术的研究与发展。本论文对YBCO薄膜的化学反应启动时长以及液层下YBCO薄膜粗糙度的实时监测方法进行了实验研究。 4)提出、设计、制作并测试了一种光控高温超导衰减器,并对其主要光响应特性进行了系统的实验研究,获得了众多有价值的实验结果。 本论文提出并采用的光控高温超导微波可变衰减器,可以有效地解决以上所提到的问题,并对设计过程及测试结果进行了系统分析。该衰减器,实际上是利用高温超导薄膜在液氮温区所展现出的极低的微波表面电阻和卓越的激光响应特性,从而达到优良的衰减性能。另外,论文对YBCO高温超导微带线非平衡光响应的恢复时长、非平衡响应特性、光响应记忆效应等也开展了一系列的实验研究。 在国内、外文献中,均未见有关YBCO薄膜反应启动时长红外测量方法、液层下YBCO表面粗糙度实时表征、光控高温超导衰减器、YBCO高温超导薄膜激光辅助化学刻蚀方法、YBCO薄膜腐蚀进程的红外、电流变化特性等研究内容的报道。