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铁电(介电)/钇钡铜氧异质结构的制备及性能研究

贾纪强  
【摘要】:由于YBa_2Cu_3O_(7-x)(YBCO)超导体独特的电学性能且和大多数钙钛矿结构铁电、介电材料具有相同的晶体结构和相近的晶格常数,把YBCO与这些材料制备成超导异质结构往往会产生一些新奇的物理现象,这些现象的深入研究不仅有助于对高温超导机理的理解,也可能发展出新型的超导电子器件。YBCO薄膜及其异质结构想要实现功能化应用往往需要把其加工成特定的微细结构,由于YBCO自身的特点现有的微细加工方法容易使其性能退化且难以制备较大面积的YBCO微结构。针对上述问题,本文的主要工作如下:采用溶胶-凝胶法制备了具有良好超导电性的YBCO薄膜,并通过在YBCO溶胶中添加化学修饰剂苯酰丙酮(BzAcH)的方法制备了YBCO感光溶胶,研究了这种感光溶胶制备较大面积YBCO微细图形的工艺(感光溶胶-凝胶法),首次通过这种方法制备出了具有良好超导电学性能和延时的YBCO超导延迟线。进一步还研究了 LaNiO_3(LNO)薄膜电极的微细图形化工艺,并在SrTiO_3/LaNiO_3(STO/LNO)结构上制备了 200μm直径的LNO电极点阵列形成了具有上下电极对称结构的LNO/STO/LNO三层薄膜,该结构表现出良好的介电可调性能。制备了具有界面共格特性的Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3/YBa_2Cu_3O_(7-x)(PZT/YBCO)异质结构,测试了 50~300K温度范围内Pt/PZT/YBCO结构的电滞回线,发现随着温度的降低PZT的剩余极化强度基本保持不变但矫顽场明显增大。结合感光溶胶-凝胶微细加工方法制备了 PZT/YBCO图形结构,并借助这种结构研究了 PZT极化对YBCO薄膜电阻-温度(R-T)曲线的影响,发现在PZT正向极化(YBCO为高电势)或负向极化(YBCO为低电势)时YBCO的R-T曲线分别出现上移或下移;进一步发现随着PZT剩余极化的增加,YBCO的磁化强度降低。对Pt/PZT/YBCO结构的电流输运特性研究发现,在电流密度-电压(J-V)曲线中存在一开启电压(V_t),当外加电压小于开启电压时PZT的漏电流较小,此时电流输运主要由材料内部的热激发载流子决定;当外加电压高于开启电压时漏电流迅速增大,电流输运主要符合肖特基发射机制。在LaAlO_3(LAO)基板上制备了Pt/STO/YBCO异质结构并对该结构的介电性能进行测试,随着温度和测试频率的降低该结构的相对介电常数增大、介电损耗减小。对其在50~300K温度范围内的J-V特性曲线进行了研究,Pt/STO/YBCO异质结构显示出了良好的整流特性。观察到当正向电压低于3.7V时Pt/STO/YBCO结构的电流密度随着温度的降低而减小,当正向电压高于3.7V时,电流密度随着温度的降低反而增大,这是由于在3.7V前后Pt/STO/YBCO结构的电流输运机制发生改变所致。当电压低于3.7V时(2~3.7V)电流输运特性表现为Fowler-Nordheim遂穿机制(FN),当电压高于3.7V时转变为肖特基发射机制(SE)。负向电压下电流密度随着温度的降低而减小主要符合欧姆导电机制(0~3.5V)和空间电荷限制电流机制(SCLC,3.5~8V),并观察到YBCO超导转变时开启电压(Vt)随温度的变化偏离了原来的规律,其偏离量可以较好的表征YBCO超导能隙的大小。采用溶胶-凝胶法制备了具有高度c轴取向的Ba_(0.09)Sr_(0.91)TiO_3/YBa_2Cu_3O_(7-x)(BST/YBCO)异质结构薄膜,测试结果表明YBCO上制备的BST薄膜相对于LNO上制备的BST薄膜具有更高的调谐率但介电损耗较大。随着温度的降低Pt/BST/YBCO结构的调谐率增加同时介电损耗降低,100kHz、83K测试条件下Pt/BST/YBCO结构的调谐率和介电损耗分别约为58%和0.029。结合感光溶胶-凝胶微细加工方法在Nb:SrTiO_3(Nb:STO)基板上制备了 YBCO电极点阵列,形成了 Nb:STO/YBCO平面异质结构,Nb:STO/YBCO结构表现出良好的电致阻变特性。上述异质结构的紫外光辐照实验表明Nb:STO/YBCO结构在常温和低温下均表现出良好的光生伏特效应,300K温度下开路电压约为0.82V,随着温度的降低开路电压增大,80K时达到1.2V左右。


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