脉冲激光沉积制备YBCO薄膜:激光诱生大颗粒的消除以及c轴择优外延生长研究

摘要

目前，在超导器件应用方面，YBa2Cu3O7-δ(YBCO)薄膜是研究最多、也是最接近实用化的一种高温超导材料。有鉴于此，高质量的YBCO薄膜的制备技术和性能研究非常重要：一方面，可以用于基础物理和性能的研究，如超导机理和磁通钉扎等性能的探索；另一方面，可以制成各种功能独特的超导元器件，如约瑟大逊结和隧道结以及微波器件等。
　　 然而，制备高质量的YBCO薄膜仍然面临一些技术挑战，特别是对于脉冲激光沉积技术(PLD)外延生长YBCO超导薄膜存在以下两个难题：一、PLD特有的诱生大颗粒难以消除，从而造成薄膜粗糙、超导性能下降等，特别是超导微纳器件中大颗粒的存在会严重降低其性能；二、YBCO薄膜在各类单晶基片上择优取向难以精确控制，也会影响薄膜的电流传输特性。针对这两个难题，我们开展了以下的研究工作。
　　 第一，消除PLD技术制备YBCO薄膜普遍存在的大颗粒现象。首先，通过大量的实验，总结出薄膜中大颗粒的产生规律。在此基础之上，我们发展了一种网格掩模技术，即在靶材和基片间插入一个合适的网格掩模，通过网格的尺寸和位置的调整，找到最佳的工艺参数，从而达到消除YBCO薄膜中从靶材溅射出来的大颗粒的现象。我们通过XRD、SEM、AFM等测量技术观察薄膜形貌。结果表明：该方法制备的YBCO薄膜与传统制备出来的薄膜的成相基本一致，其中网格有效地阻挡了从靶材中喷发的液滴(laser-induced particles)输运到基片上，因此，最终沉积的YBCO薄膜几乎观察不到大的颗粒，平整性也有很大的提高。
　　 第二，不同单晶基片上外延生长c轴择优YBCO薄膜的技术及机制。首先，采用PLD在三种不同单晶基片上(MgO、SrTiO3、Si)沉积YBCO薄膜，通过工艺的优化、过渡层的使用(主要在Si基片上)在三种基片上成功地制备出c轴择优的YBCO薄膜。然后，通过XRD测量技术对薄膜样品的晶体取向、微结构进行详细的表征，并结合其超导性能的测量，阐明性能与微结构之间的内在联系，并利用晶格匹配理论和界面能理论解释了薄膜的外延生长机制。