高溫超導薄膜

這給高Tc的BiSrCaCuO薄膜的製備帶來了困難。 TlBaCaCuO薄膜微波器件在80K溫度下仍然具有良好的性能。 TlBaCaCuO薄膜天然晶界SQUID在77K的性能已和4.2K商品SQUID性能相近。

厚度小於1μm的高溫超導材料。由於薄膜在製作電子器件中的重要性,在發現高溫超導體之後,人們即開展高溫超導薄膜的製備與性能研究。具有較大實用價值的高溫超導薄膜有釔(Y)系薄膜、鉍(Bi)系薄膜和鉈(Tl)系薄膜。
釔系薄膜 所有釔系高溫超導薄膜製備方法和超導性質都非常相近。以YBa2Cu3O7-ξ,(簡寫為YBCO)為例,電子束共蒸發、磁控濺射、脈衝雷射澱積,以及金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)等方法都可成功地用於製備YBCO薄膜。基片可採用SrTiO3、LaAlO3、MgO、Zr(Y)O2單晶片,也可採用帶有隔離層的複合基片,如SrTiO3/Al2O3、Zr(Y)O2/Al2O3 、Zr(Y)O2/Si(隔離層/單晶片)等。在一定條件下,在這些基片上可生長出高質量的c取向YBCO外延薄膜,零電阻臨界溫度Tc0可達到90K以上(最高為93K),臨界電流密度Jc(77K,0T)達到106A/cm2以上(最高為7×106A/cm2)。YBCO外延薄膜表面平整,取向度好,結構完整,質量已與單晶體相近。
YBCO外延薄膜在77K溫度的微波表面電阻Rs(77K,10GHz)已達100μΩ,比同樣條件下的銅的電阻小2個數量級。用高質量的YBCO薄膜已製備出性能優異的微波無源器件,如諧振器、濾波器、延遲線等。將這些器件用在衛星通信系統上,可大大提高通信系統的性能。
YBCO薄膜量子干涉器(SQUID)在77K溫度的性能已超過商品的低溫SQUID。低溫SQUID需要在液氦溫度(4.2K)下工作。將器件工作溫度由4.2K提高到77K,將大大簡化製冷系統,減輕重量,降低成本,從而擴大器件套用範圍。
鉍系薄膜 BiSrCaCuO超導體系包括3個超導相。按BiSrCaCu的順序,其組分為2201、2212與2223,Tc分別為20K、80K和110K。2223相存在溫區很窄,很難製備出純的2223相。這給高Tc的BiSrCaCuO薄膜的製備帶來了困難。用鉛(Pb)取代一部分Bi,可提高樣品中2223相的比例,改善晶粒間連線狀況,顯著提高超導性能。在700℃的MgO單晶基片上,用射頻磁控濺射法澱積BiSrCaCuO薄膜,經過900℃、60min的後續熱處理,薄膜的Tc0達到95k,Jc(77K,0T)達到1.9×106A/cm2。在300℃的MgO單晶片上澱積含Pb的BiSrCaCuO膜,並將它與Bi1.7Pb0.3Sr2Ca2Cu3Ox塊材一起放在坩堝中,於840℃、15h退火,從而可得到110K的含Pb的BiSrCaCuO薄膜,但Jc(77K,0T)只有300A/cm2。BiSrCaCuO薄膜在空氣中的穩定性較好。已用Bi系薄膜制出SQUID。製備110K的BiSrCaCuO外延薄膜仍是研究的課題。
鉈系薄膜 TlBaCaCuO是臨界溫度最高的超導體(Tc為125K),實用價值更大。製備Tl系超導體的原料Tl2O3是劇毒物質,使用時必須有妥善的防護措施。Tl的蒸氣壓高,易揮發,這給TlBaCaCuO薄膜的製備帶來一定困難,而且很難實現外延生長,只能採用後熱處理法製備。為了補充Tl的損失,需要將薄膜與TlBaCaCuO粉末或塊材放在密閉坩堝中一起熱處理。Tl系2223相比較容易形成,這是Tl系薄膜優於Bi系薄膜的地方。
直流濺射後熱處理法製備的2223相TlBaCaCuO薄膜的Tc0為116K,Jc(77K)為105A/cm2。脈衝雷射後熱處理法製備的Tl2Ba2Cacu2Ox薄膜的Tc雖然只有98.3K,但Jc(77K)卻高達l×106A/cm2,微波表面電阻Rs(77K,9.55GHz)=0.2mΩ,只是銅(Cu)的1/45。在場強高達12G的強微波場中,它的Rs(90K,9.55GHz)也只有0.6mΩ,這對於製作高功率的微波器件是重要的。TlBaCaCuO薄膜微波器件在80K溫度下仍然具有良好的性能。TlBaCaCuO薄膜天然晶界SQUID在77K的性能已和4.2K商品SQUID性能相近。Tl系薄膜表面質量提高后,Tl系薄膜及器件的性能還會有大幅度提高。

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