（无线电物理专业论文）低退火温度下mgb2超导薄膜的制备及其物性研究.pdf

2 0 0 7 年r 海大学硕士论文 摘要 m g b 2 超导体因其相比传统超导体有高的临界温度0 9 k ) 、远优于铜氧化物超 导体的简单结构和电特性，在超导强电和弱电应用领域有诱人的前景，超导电子 器件的关键是超导薄膜。目前适合多层薄膜技术的原位生长法制备m g b 2 超导薄 膜还有很多问题需要研究，特别是m g 的高挥发问题。低温下固体材料有低的饱 和蒸汽压，低退火温度应当是解决m g 的高挥发问题的重要途径。 本论文着重研究在低退火温度下m g b 2 超导薄膜的制备及其物理特性。我们 在u t r - 4 0 0 超高真空镀膜仪中利用电子束蒸发和原位热处理方法，在较低的退 火温度( 6 0 0 ) 下在s i ( 1 1 1 ) 衬底上成功制备了二硼化镁超导薄膜。实验背景真空 为1 l f f 7m b a r ，先驱膜为【m g ( 1 5 1 a 徊( 1 0 0 a ) 】n 的周期层状结构( n 取决于膜 的总厚度) ，低的退火温度选取4 5 0 、5 0 09 c 、5 2 5 、5 5 0 、6 0 0 、6 2 5 、 6 5 0 ，研究表明： 调整先驱膜中b ( 1 0 0 勾层次序，使b ( 1 0 0 a ) 在最底和最上层，有效降低m g 的挥发和向s i 衬底的扩散。8 0 0 3 0m i n 的退火条件我们在无任何缓冲层或 籽层的s i 衬底上获得了零电阻临界温度为3 2 8 k ，临界电流密度为3 3x 1 0 5 a c m 2 的m g b 2 超导薄膜。 在6 2 5 c 8 0 0 4 c 区间的退火温度，m g b 2 薄膜能够良好成相，超导临界转变 温度( t c ) 变化不大。当退火温度低于6 2 5 4 c 时，t c 下降很快。我们认为低的退火 温度需要延长退火时间以保证成相的充分。 当退火温度降低到5 5 0 ( 2 时，在此退火温度下保温1 2 0 分钟，薄膜的超导性 能较好，它的零转变温度为2 7 5 k ，起始转变温度达到3 2 k 。用原子力显微镜观 测到薄膜表面光滑，颗粒大小约为1 0 0 n m ，其平方根粗糙度( r m s ) 和平均粗糙度 ( r a ) 分别为8 8 n m 和6 8 n m ，数值较小。 当退火温度降低到5 0 0 ，保温时间为8 小时时，制备得到的薄膜仍是超导 的，而且起始转变温度为2 5 k 。 本文实验结果表明，在低退火温度( ；一o正 2 0 0 7 年上海大学够i 士论文 们的电阻温度特性曲线如图4 2 所示。 e q a i 兰 t ，k 图4 2 退火时间3 0 r a i n ，退火温度分别为6 2 5 、6 5 0 、6 7 5 、7 0 0 、7 2 5 、 7 5 0 、8 0 0 。c 的薄膜的r t 曲线 图4 3 退火温度为8 0 0 的薄膜的r t 曲线 一rcoatl一兰茹is芷 2 0 0 7 年l 海大学硕士论文 由图4 2 可知，在我们选取的退火温度下所制备的m g b 2 薄膜都能够良好成 相，超导转变温度都超过j 3 0 k ，同时也发现这些样品的超导临界转变温度( r c ) 变化不大。其中超导转变温度最高的是退火温度为8 0 0 c 的薄膜，样品的零电阻 临界温度达到了3 2 8 k ( 如图4 3 所示) ，在1 0 k 、无磁场条件下的临界电流密度为 3 3x 1 0 5 a c r a 2 。 4 3 低退火温度下m g b 2 薄膜的超导特性 虽然在高的退火温度下，我们获得了较高临界温度的m g b 2 超导薄膜，但由 于镁的易挥发性及易氧化性，退火温度过高的话，容易造成镁的缺失，不利于 m g b 2 超导晶相的形成。同时也容易形成m 9 2 s i 相，这都会影响薄膜的质量。而 如果降低退火温度的话，虽然有可能存在镁层与硼层之间反应不够彻底的情况， 但却可以有效的防止镁的挥发及氧化，而且如果增大退火时问还有可能解决因退 火温度低而带来的镁层与硼层之间反应不够彻底的问题。因此我们试图慢慢的降 低退火温度，在退火时间均保持3 0 分钟不变的情况下，看一下所制备的薄膜是 否还超导，以及具体的性质如何。 4 3 1 低退火温度下样品的电阻温度( r m 特性 我们分别在6 5 0 、6 2 5 、6 0 0 、5 5 0 下对先驱薄膜进行退火处理，为 了比较退火温度对薄膜性质的影响，退火时间均选择3 0 分钟。退火温度6 5 0 、 6 2 5 、6 0 0 、5 5 0 。c ，退火时间3 0 分钟所制备的薄膜分别代表a 样品、b 样 品、c 样品、d 样品。 表4 1 为不同退火温度下的样品a 、b 、c 、d 的超导转变温度，由表中数据 可以清楚的发现，超导转变温度最高的是a 样品，随着退火温度的不断降低， 样品的转变温度也在不断降低，当温度降低到5 5 0 c ，对应的d 样品的零转变温 度只有1 5 5 k 。当退火温度降低时，不但转变温度在降低，同时样品的转变宽度 也在不断加大，退火温度6 5 0 所对应的a 样品的转变宽度只有1 1 k ，而退火 温度5 5 0 。c 所对应的d 样品的转变宽度却增大到了6 2 k 。这就说明，在退火时 间不变的情况下，随着退火温度不断降低，薄膜的质量也随之下降。 2 0 0 7 年j ：海大学硕七论文 表4 1 不同退火温度下样品a 、b 、c 、d 不同的转变温度 样品退火温退火t o o nkt o ( 9 0 )t c ( 1 0 ) t o ( 5 0 1 4 五 度时间 a6 5 0 3 0 m3 5 1 k3 2 2 k3 3 6 k3 2 5 k3 2 9 k1 1 k b 6 2 5 3 0 m3 4 8 k3 1 2 k3 2 9 k 3 1 6 k3 2 1 k 1 3 k c6 0 0 3 0 m3 3 3 k 2 7 9 k3 1 3 k2 8 7 k2 9 7 k2 6 k d5 5 0 3 0 m2 7 9 k1 5 5 k2 2 7 k1 6 5 k1 8 5 k6 2 k e o a i 、 u c ； i o 05 01 0 01 5 0 2 0 0 t k 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 t k 图4 4 不同退火温度下样品a 、b 、c 、d 的r - t 曲线 4 1 0 0 0 0 o 0 笛 侣 伯 5 2 0 0 7 年上海大学硕j ：论文 不同退火温度下样品的电阻- 温度( r - 1 ) 特性如图4 4 所示。图4 4 ( a ) 表示的是 从1 0 k 到2 0 0 k 温度区间上的r t 曲线，图4 郇) 表示的是在转变温度附近的 r - t 曲线。从图中可直观的看到随着退火温度的降低，样品的超导转变温度也跟 着下降，尤其是当退火温度从6 0 0 降低到5 5 0 时，样品的超导转变温度下降 的很快。 4 3 2 低退火温度下样品的表面形貌 我们利用原子力显微镜对不同退火温度下样品的表面形貌和微结构进行了 观察，表面形貌如图4 5 所示，其中图4 5 ( a ) 、图4 5 ( b ) 、图4 5 ( c ) 、图4 5 ( d ) 分 别表示a 、b 、c 、d 样品的表面形貌。 图中可看出，随着退火温度的降低，颗粒尺寸基本不变，但颗粒之间的间隙 明显变大，致密性下降了。退火温度为6 5 0 c 的a 样品的平方根粗糙度( r m s ) 和 平均粗糙度( r a ) 分别为8 9 n m 和6 7 n m ，而随着退火温度下降，当降到5 5 0 时， d 样品的平方根粗糙度( r m s ) 和平均粗糙度( r a ) 分别增大到了为1 3 1 n m 和 1 0 5 n m 。颗粒之间的间隙变大、薄膜表面的粗糙度变大都从一个侧面说明，在退 火时间保持不变的情况下，随着退火温度的降低，样品的质量也在降低。 图4 5 ( a ) 退火温度为6 5 0 * ( 3 的样品的表面形貌 2 0 0 7 年k 海大学硕士论文 图4 5 ( b ) 退火温度为6 2 5 1 2 的样品的表面形貌 图4 5 ( c ) 退火温度为6 0 0 c 的样品的表面形貌 2 0 0 7 年上海大学硕上论文 图4 5 ( d ) 退火温度为5 5 0 c 的样品的表面形貌 4 4 热处理时间对低退火温度m g b 2 薄膜的影响 为了研究低的退火温度下热处理时间对m g b 2 超导薄膜特性的影响，我们以 5 5 0 。c 的退火温度为例，通过改变退火时间进行了研究。d 1 样品、d 2 样品、d 3 样品、d 4 样品、d 5 样品分别表示退火温度为5 5 0 c ，退火时间为0 5 h 、l h 、2 h 、 3 h 、4 h 的超导薄膜。 4 4 1 不同退火时间下样品的电阻温度( r - t ) d i c y - 性 图4 6 ( a ) 给出了d 1 、d 2 、d 3 、d 4 、d 5 样品在1 0 k 一3 0 0 k 温度区间的r t 曲线，图4 6 ( b ) 表示的是在转变温度附近的r t 曲线。由图4 6 ( a ) 可见，所有样 品均呈现半导体特性，在3 0 0 k 时，最小的电阻率约为5 0 # q c m 。而由图4 6 ( b ) 可知，当退火温度为5 5 0 时，退火时间2 小时所得结果较好，也就是d 3 样品， 样品的起始转变温度为3 2 k ，零转变温度为2 7 5 k 。但是相比于块状材料及合适 退火温度下的薄膜材料，低的超导转变温度及大的电阻率说明样品的质量还不是 太好。 2 0 0 7 年l 海犬学硕士论文 图4 6 样品d 1 、d 2 、d 3 、d 4 和d 5 的r t 曲线 2 0 0 7 年t 海大学硕上论文 图4 7 给出了5 5 0 c 退火温度下样品超导转变温度t c ( 9 0 ) ( 即超导起始转变 正常态电阻9 0 所对应的转变温度) 和t o ( 1 0 ) 随退火时间的变化情况。由图可 见，样品的转变温度t o ( 9 0 ) 和x 0 0 0 ) 随着退火时间的增长的确得到升高，转 变宽度也减小，但当退火时间超过2 小时后，t o ( 9 0 ) 和1 1 0 ) 反而缓慢降低。 这就说明，在低退火温度下，增加退火时问有利于m g 和b 的充分反应，提高 m g b 2 超导薄膜性能，但是过分延长退火时间同样可能导致m g 的丢失和向s i 衬 底的扩散从而m 9 2 s i 相增加，反而降低薄膜质量，转变温度降低。图中显示5 5 0 退火温度下样品的最佳退火时间为2 小时，t o ( 9 0 ) 达3 1 o k 。 y 芦 0 00 51 0 1 52 0 2 53 0 3 54 0 4 5 a n n e a l i n gt i m e h 图4 7 样品d 1 、d 2 、d 3 、d 4 和1 ) 5 的超导转变温度比较 4 4 2 不同退火时间下样品的电流电压( i v ) 特性 在1 0 k 的低温下，我们分别测量了d 1 、d 2 、d 3 、d 4 和d 5 样品的电流一电 压特性，如图4 8 所示。所有样品的厚度均相同，大约为3 0 0 n m ，但宽度有所不 同。样品d 1 、d 2 、d 3 、d 4 和d 5 的宽度分别为1 9 4 m m ，、1 7 0 m m 、1 7 0 r a m 、 1 9 5 m m 及l 8 9 r a m 。由图4 8 及样品的宽度