钇钡铜氧超导薄膜及其微细图形化新方法研究

【摘要】： 钇钡铜氧(YBCO)超导薄膜因具有优良的性能而得到广泛的关注和应用,在高温超导滤波器、红外探测器、THz天线等领域有非常重要的应用。在YBCO超导薄膜的应用中,除了制备优良的超导薄膜以外,其微细图形加工也是一重要的必不可少的加工技术。高温超导薄膜的微细图形化主要沿用传统的光刻法,由于YBCO自身的属性和特点,该方法对薄膜的超导性能有一定的抑制。为了弥补光刻法的不足,人们提出了改性工艺、微掩模制备工艺等方法,但这些方法仍有一定的局限性。因此探讨和发展一种不影响YBCO超导薄膜性能的微细图形制备方法具有一定的理论意义和实用价值。 本文提出了一种制备YBCO超导薄膜微细图形的新方法,即化学修饰的Sol-Gel法,在YBCO溶胶中加入化学修饰剂使溶胶具有紫外感光特性,在紫外光照射下,溶胶及其凝胶薄膜在一些有机溶剂(如甲醇、乙醇等)中的溶解度大大降低,即未经光照区域和光照区域的凝胶薄膜在某些有机溶剂中溶解度存在明显的差异,利用溶胶的这种感光特性,通过感光的Sol-Gel工艺可制备YBCO薄膜微细图形。本文主要探讨了化学修饰剂(AA、BzAcH)和金属离子(Cu2+、Y3+)形成配位化合物的化学结构、感光机理,以及利用感光的Sol-Gel工艺制备薄膜微细图形的可行性及其性能。研究结果表明： 以Y、Ba, Cu的醋酸盐为起始原料,丙烯酸(AA)作为化学修饰剂,甲醇为溶剂,制备YBCO/AA溶胶。AA和醋酸铜反应形成一种铜配位化合物(Cu/AA),具有紫外感光特性,可稳定存在于YBCO/AA溶胶和凝胶中。基于溶胶的这种感光特性,利用直接感光的Sol-Gel工艺,可获得具有微细图形的YBCO凝胶薄膜,其图形的最小线宽为9um。 以Cu、Y的醋酸盐为起始原料,甲醇为溶剂,苯酰丙酮(BzAcH)作为化学修饰剂,分别制备了透明稳定的Cu/BzAc、Y/BzAc两种溶胶。BzAcH和Cu、Y的醋酸盐反应能形成相应的金属配位螯合物(Cu/BzAc、Y/BzAc),且具有紫外感光性。利用直接感光的Sol-Gel方法对凝胶薄膜进行微细图形加工,结合热处理过程,可获得立方相的CuO, Y2O3薄膜微细图形。 以Y、Ba、Cu的醋酸盐为起始原料,苯酰丙酮(BzAcH)作为化学修饰剂,甲醇为溶剂,制备了透明稳定的YBCO/BzAc溶胶。Cu/BzAc、Y/BzAc金属配位螯合物结构可稳定的存在于YBCO/BzAc溶胶中,使溶胶具有较好紫外感光特性,利用溶胶的这种感光性对YBCO/BzAc凝胶薄膜进行微细加工,其图形的最小线宽可达到3um。 以铝酸镧(LaAlO3)单晶为基片,采用上述两种感光溶胶制备YBCO薄膜及其图形,均具有较高的超导转变温度(91K以上)和较窄的转变宽度(1K左右),YBCO薄膜图形的临界电流密度达到106A／cm2。