真空技術(shù)與薄膜物理

MgB2超導(dǎo)薄膜的制備及其研究楊國(guó)峰(西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院凝聚態(tài)物理)摘要：報(bào)道了超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及其基本性質(zhì)以及MgB2超導(dǎo)薄膜的基本性質(zhì)及應(yīng)用，用兩步法制備MgB2超導(dǎo)薄膜.首先利用脈沖激光沉積技術(shù)制備MgB2薄膜,然后對(duì)MgB2薄膜進(jìn)行后退火處理，生成MgB2超導(dǎo)薄膜.采用掃描電子顯微鏡、x射線衍射、電阻測(cè)量和磁測(cè)量技術(shù)分析了MgB2薄膜的制備溫度對(duì)MgB2薄膜的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響.結(jié)果表明，隨著MgB2薄膜制備溫度的降低,MgB2薄膜中晶粒粒度減小、c取向的衍射線寬化、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度升高.300。。時(shí)制備的MgB2超導(dǎo)薄膜的超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度為39.15K。關(guān)鍵詞：MgB2超導(dǎo)薄膜，脈沖激光沉積，基片溫度1引言1911年Onnes首先發(fā)現(xiàn)Hg在4.2K附近電阻突然消失以來(lái)，開拓了一個(gè)新的超導(dǎo)物理領(lǐng)域[1]。超導(dǎo)體在電能輸送、磁流體發(fā)電、超導(dǎo)磁懸浮列車等方面具有其它器件無(wú)法比擬的優(yōu)越性，用Josephson效應(yīng)作出的超導(dǎo)量子干涉器(簡(jiǎn)稱SQUID)可分辨10-15T磁場(chǎng)，應(yīng)用到國(guó)防、探礦、地震預(yù)報(bào)、生物磁學(xué)等方面，顯示出其巨大的應(yīng)用潛力。目前超導(dǎo)體的研究主要集中在三個(gè)方面：第一以Hg為代表的金屬超導(dǎo)體，轉(zhuǎn)變溫度低，載流能力弱。第二以YBaCuO為代表的銅氧化物超導(dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高但載流能力弱。第三以MgB2為代表化合物超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度不高，但具有較高的載流能力[2-4]。2001年1月，日本青山大學(xué)的J.Akimitsu發(fā)現(xiàn)了一種超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)40K的非銅氧化物非C60結(jié)構(gòu)的金屬化合物超導(dǎo)體MgB2，在超導(dǎo)材料的研究方面取得了突破性的進(jìn)展[5].由此,在全世界范圍內(nèi)掀起了研究MgB2超導(dǎo)體的熱潮.為了制備出均勻致密、表面平整光滑、超導(dǎo)性能優(yōu)異的MgB2超導(dǎo)薄膜，研究人員幾乎動(dòng)用了所有可能的制膜方法，主要有脈沖激光沉積法(PLD)[6,7]、磁控濺射法(magnetronsputtering)[8]、分子束外延法(MBE)[9]、真空蒸發(fā)(evaporationinvacuum)[10-11:化學(xué)氣相沉積法(CVD)mi和電泳法(electrophore2sis)].PLD是迄今應(yīng)用最廣的制備MgB2薄膜的方法,但由于Mg和B蒸氣壓的巨大差別及Mg的極易氧化性，原位生長(zhǎng)MgB2超導(dǎo)薄膜非常困難，且制備出的MgB2薄膜的超導(dǎo)性能相對(duì)較差.用兩步法(PLD+后退火處理)制備MgB2薄膜則克服了以上缺點(diǎn)，可以得到超導(dǎo)性能優(yōu)異的MgB2超導(dǎo)薄膜.本文報(bào)道了用兩步法在白寶石基片上制備MgB2超導(dǎo)薄膜,采用掃描電子顯微鏡(SEM)、x射線衍射(XRD)、電阻測(cè)量和磁測(cè)量技術(shù)分析了MgB2W膜的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響研究結(jié)果表明，隨著MgB2薄膜制備溫度的降低，退火后得到的MgB2薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度上升，薄膜中晶粒粒度減小,薄膜變得更加光滑致密.300°C時(shí)制備的MgB2超導(dǎo)薄膜的超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度為39.15KE.2.1.1邁斯納效應(yīng)[1]邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。如圖1：注：S表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)圖1邁斯納效應(yīng)2.1.2臨界磁場(chǎng)[1]逐漸增大磁場(chǎng)到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)，記為Hc。有經(jīng)驗(yàn)公式：Hc(T)=Hc(0)(1-T2/T；)如圖22.1.3 臨界電流[1]超導(dǎo)體無(wú)阻載流的能力也是有限的，當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時(shí)，又會(huì)重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流，記為Ic。目前，常用電場(chǎng)描述Ic(V)，即當(dāng)每厘米樣品長(zhǎng)度上出現(xiàn)電壓為1V時(shí)所輸送的電流。2.2 MgB2超導(dǎo)薄膜的基本性質(zhì)及應(yīng)用[13]MgB2超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)2001年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變溫度高于39K的化合物超導(dǎo)體MgB2,它是目前為止臨界溫度最高的金屬間化合物，它具有晶格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方法容易、生產(chǎn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，高的臨界電流密度和臨界場(chǎng)以及透明的晶粒邊界等都預(yù)示著二硼化鎂在低溫電子學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也賦予了二硼化鎂超導(dǎo)研究巨大的現(xiàn)實(shí)意義。二硼化鎂是繼高溫銅氧化物和富勒系c60超導(dǎo)系列之后超導(dǎo)體的又一重大發(fā)現(xiàn)，由于其轉(zhuǎn)變溫度在BCS理論的上限，它的超導(dǎo)機(jī)理是否屬于BCS框架之內(nèi)爭(zhēng)議不小，從而掀起了一場(chǎng)研究此物質(zhì)的熱潮。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)Ames實(shí)驗(yàn)室等單位迅速投入了研究。在國(guó)內(nèi)，北京大學(xué)物理系的馮慶榮研究小組在同年2月初完成了合成MgB2超導(dǎo)材料的起步研究，據(jù)悉，這是國(guó)內(nèi)首次成功進(jìn)行的MgB2超導(dǎo)電性的研究工作，此后，西北金屬研究院，中國(guó)科技大學(xué)等十余家國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)都作了不同層次的研究。MgB2的晶體結(jié)構(gòu)[14]二硼化鎂是一種簡(jiǎn)單的二元金屬化合物，為A1B2型立方晶體結(jié)構(gòu)，即由石墨蜂窩型結(jié)構(gòu)的硼層間插入三角形排列的鎂原子層構(gòu)成，鎂原子處在硼原子形成的六角形的中心，給硼原子面提供電子。由X射線及早期的結(jié)構(gòu)分析出的晶格參數(shù)分別約為：a=0.3086nm，c=0.3524nm，Mg和B原子分別占據(jù)la和2d的位置，每個(gè)固體物理細(xì)胞含有一個(gè)形式結(jié)構(gòu)單元。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。2.2.3MgB2薄膜的應(yīng)用從MgB2薄膜的應(yīng)用角度來(lái)看，主要追求MgB2薄膜的轉(zhuǎn)變溫度Tc和臨界電流密度Jc值更高以及微波表面電阻Rs更低。制備非常有序織構(gòu)的薄膜和引進(jìn)釘扎中心是提高超導(dǎo)體載流性能的重要方法。超導(dǎo)薄膜的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)均不穩(wěn)定，而且其微觀結(jié)構(gòu)與缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)器件的傳輸和噪聲特性有嚴(yán)重影響。噪聲的幅度及檢測(cè)極限完全取決于超導(dǎo)薄膜的結(jié)晶度和薄膜層與絕緣層的界面狀況。因此，在晶格匹配單晶基底上外延生長(zhǎng)的MgB2薄膜具有高靈敏度。MgB2薄膜具有很小的微波表面電阻可用于制造微波無(wú)源器件，與傳統(tǒng)金屬相比有損耗低、噪音小、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。將這種微波器件應(yīng)用于通信系統(tǒng)中可大幅提高信息接收的靈敏度，用在移動(dòng)通信地面接收基站中的關(guān)鍵器件濾波器上可減小或消除手機(jī)通話的盲區(qū)，提高通話質(zhì)量，減小基站數(shù)量?；贛gB2薄膜電子器件制成的SQUID用于測(cè)量微弱磁場(chǎng)，靈敏度可比常規(guī)儀器高1?2個(gè)數(shù)量級(jí)。它在生物磁性測(cè)量、尋找礦藏等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。SQUID的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)顯示出常規(guī)超導(dǎo)體電子器件的巨大優(yōu)點(diǎn)。約瑟夫森結(jié)的研究方面也取得了引人注目的成績(jī)。2.2.4影響MgB2超導(dǎo)特性的主要因素[15]1制備工藝MgB2通常采用固相反應(yīng)法進(jìn)行制備，工藝周期長(zhǎng)，材料的晶粒尺寸較大。由于鎂的熔點(diǎn)只有650°C左右,極容易在空氣中揮發(fā)和氧化，因此在制備過(guò)程中，防止Mg的氧化是得到高純度、性能優(yōu)良的MgB2超導(dǎo)體的關(guān)鍵所在。故MgB2的多晶體樣品多采用高純度的Mg粉B粉混合后放入Ta皿中，在石英管中經(jīng)多次焙燒-磨粉-再燒結(jié)制備而成。保護(hù)氣氛通常采用Ar氣，燒結(jié)溫度大多在900C左右。目前MgB2薄膜材料通常采用脈沖激光沉積和磁控濺射制備，磁控濺射法是適合于大面積沉積的最優(yōu)生長(zhǎng)法之一，而脈沖激光沉積法能簡(jiǎn)便地使薄膜的化學(xué)組成與靶的化學(xué)組成達(dá)到一致，并且能有效地控制

薄膜的厚度。由于MgB2薄膜是由多種元素組成的材料，控制成分和薄膜生成溫度、氣氛等就成為制備出高Tc、Jc低Rs的優(yōu)質(zhì)薄膜的關(guān)鍵技術(shù)，其中沉積條件如激光能量、襯底溫度對(duì)MgB2材料的影響顯著。2化學(xué)摻雜目前有兩種不同方式的化學(xué)摻雜，一種是電子摻雜，即用Be、C、N、O、F等元素部分地替代MgB2中的B元素，另一種是空穴摻雜，即用Al、Ca、Cu、Li、Na、Zn等元素部分地替代MgB2中的Mg元素。MgB2超導(dǎo)材料的特性主要是由摻雜濃度和摻雜元素種類這兩個(gè)參數(shù)來(lái)決定。3 壓力的影響Lorenz等人采用了高壓研究MgB2,發(fā)現(xiàn)MgB2樣品的Tc隨著壓強(qiáng)的增大而出現(xiàn)直線下降。在他們的實(shí)驗(yàn)中，壓強(qiáng)同時(shí)減少了上下兩個(gè)B-B層之間以及同一個(gè)B-B層內(nèi)B原子之間的距離，從而導(dǎo)致MgB2樣品Tc的減少。I.Loa等人在壓強(qiáng)下研究了MgB2的電子結(jié)構(gòu)特性，他們發(fā)現(xiàn)在高壓下MgB2的晶格常數(shù)出現(xiàn)減少，體積發(fā)生了收縮，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)變溫度的降低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是聲子的頻率變大和在費(fèi)米面電子態(tài)密度的減少。2.3MgB2薄膜的制備及物性研究目前制備MgB2薄膜主要方法有：脈沖激光沉積法（PLD）、磁控濺射法（MS）、分子束外延法（MBE）、離子束輔助沉積法（IBAD）、金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積法（MOCVD）等。2.3.1脈沖激光沉積法[16]原理：脈沖激光沉積法是將準(zhǔn)分子脈沖激光器產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦并作用于靶材表面，使靶材表面產(chǎn)生高溫熔蝕，進(jìn)而產(chǎn)生高溫高壓等離子體（T3104K），這種等離子體定向局域膨脹發(fā)射，形成等離子體羽輝，最終在基片上沉積而形成薄膜。其特點(diǎn)是工藝可重復(fù)性好；化學(xué)計(jì)量比比較精確；沉積速率高，便于大面積成膜；操作簡(jiǎn)單，尤其是可避免沉積過(guò)程中對(duì)基片和已形成薄膜的損害；其基片溫度要求不高，而且薄膜成分與靶材保持一致。原理圖如圖5：保持一致。原理圖如圖5：真空室圖5PLD簡(jiǎn)單原理圖制備一般認(rèn)為分3個(gè)過(guò)程：(1)激光與固體表面作用生成等離子體過(guò)程;(2)等離子體向基片方向的定向局域等溫絕熱膨脹發(fā)射:靶表面等離子體區(qū)形成后,這些等離子體繼續(xù)與激光束作用，將進(jìn)一步吸收激光束的能量而產(chǎn)生電離，使等離子體區(qū)的溫度和壓力迅速提高,使得在靶面法線方向有比較大的溫度和壓力梯度，使其沿靶面法線方向向外作等溫(與激光作用時(shí))和絕熱(激光終止后)膨脹發(fā)射,這種膨脹發(fā)射過(guò)程極短(10-8s?10-3s)，具有瞬間爆炸的特性以及沿靶面法線方向發(fā)射的軸向約束性,可形成一個(gè)沿靶面法線方向向外的細(xì)長(zhǎng)的等離子體區(qū),即所謂的等離子體羽輝，其空間分布形狀可用高次余弦規(guī)律cosn。來(lái)描述,。為相對(duì)于靶面法線的夾角,n的典型值為5-10，并隨靶材而異,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在激光能量密度在(1?100)J/cm2范圍內(nèi)時(shí),等離子體能量分布在(10?1000)eV之間，其最大幾率分布在(60?100)eV,這些等離子體的能量遠(yuǎn)高于常規(guī)蒸發(fā)產(chǎn)物和濺射離子的能量；(3)等離子體羽輝和基片表面相互作用，在基片表面生長(zhǎng)成膜:絕熱膨脹后的等離子體在基片表面迅速冷卻沉積成膜。優(yōu)點(diǎn)：(1)適宜于制備多組分化合物薄膜。因?yàn)榈入x子體的瞬間爆炸式發(fā)射，不存在成分的擇優(yōu)蒸發(fā)效應(yīng)，又由于等離子體發(fā)射的靶軸向空間約束效應(yīng)，使膜的成分和靶材保持一致。方便引入各種活性氣體。制備薄膜時(shí)可引入O2、H2等活性氣體，這對(duì)于多元素化合物薄膜，特別是多元氧化物薄膜的制備極為有利。利于解決難熔材料的薄膜沉積問(wèn)題。準(zhǔn)分子脈沖激光具有極高的功率密度(108?1010W/cm2)，可以蒸發(fā)金屬、半導(dǎo)體和陶瓷等無(wú)機(jī)材料。易于織構(gòu)膜或外延膜的生長(zhǎng)。等離子羽輝中的粒子具有極高能量(10?100eV)，使原子沿襯底表面的遷移擴(kuò)散更劇烈，因而在較低溫度下也能實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)；另外，在很低的脈沖重復(fù)頻率下，原子在兩次脈沖發(fā)射之間有足夠的時(shí)間擴(kuò)散到吉布斯自由能最低的位置，促進(jìn)了薄膜的外延生長(zhǎng)。適于多層膜和超晶格材料的制備。PLD系統(tǒng)具有多靶位裝置且操作方便靈活，可安裝多個(gè)靶材，便于制備多層膜和超晶格薄膜?？傊?，PLD技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)使得這種方法在高溫超導(dǎo)薄膜、鐵電薄膜以及生物陶瓷薄膜等多種材料的制備上得到了廣泛的應(yīng)用。2.3.2脈沖激光沉積薄膜技術(shù)的最新發(fā)展方向[17]2.3.2.1脈沖激光真空弧(pulsedlaservacuumarc)薄膜制備技術(shù)：它是結(jié)合脈沖激光沉積和真空弧沉積技術(shù)而產(chǎn)生的,其原理圖見圖6。其基本原理為:在高真空環(huán)境下,在靶材和電極之間施加一個(gè)高電壓，脈沖激光由外部引入并聚焦到靶材表面使之蒸發(fā),從而在電極和靶材之間引發(fā)一個(gè)脈沖電弧。該電弧作為二次激發(fā)源使靶材表面再次激發(fā)，從而使基片表面形成所需的薄膜。在陰極的電弧燃燒點(diǎn)充分發(fā)展成為隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)之前,通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的脈沖電路切斷電弧。電弧的壽命和陰極在燃燒點(diǎn)附近燃燒區(qū)域的大小，取決于由外部電流供給形成的脈沖持續(xù)時(shí)間。通過(guò)移動(dòng)靶材或移動(dòng)激光束，可以實(shí)現(xiàn)激光在整個(gè)靶材表面掃描。圖6激光真空弧沉積裝置原理圖2.3.2.1雙光束脈沖激光沉積們8尸乙功薄膜[18]圖7雙光束脈沖激光沉積裝置圖1—激光束2—分束器3—反射鏡4—光束能量控制器5—摻雜孔6—聚焦鏡7—激光窗口8—PLD沉積腔9一摻雜靶10一靶材11—通氣管12一襯底加熱器13一襯底14—等離子體羽輝15一靶臺(tái)雙光束脈沖激光沉積（DBPLD）技術(shù)是采用兩個(gè)激光器或?qū)σ皇す夥止獾姆椒ǖ玫絻墒す?，同時(shí)轟擊兩個(gè)不同的靶材，并通過(guò)控制兩束激光的聚焦功率密度,以制備厚度、化學(xué)組分可設(shè)計(jì)的理想梯度功能薄膜，可以加快金屬摻雜薄膜、復(fù)雜化合物薄膜等新材料的開發(fā)速度。其裝置圖見圖7。脈沖激光沉積已用于制備沉積率高（14.5nm），質(zhì)量好的超導(dǎo)MgB2薄膜，激光束（308nm）以與靶成45°的角度打在旋轉(zhuǎn)靶上，從而使靶材蒸發(fā)并沉積到Si基片上。沉積過(guò)程中，基片以0.5r/s的速度旋轉(zhuǎn)。通過(guò)改變激光重復(fù)頻率（如從1-100Hz可以使沉積率變化（1-14.5nm）。由此獲得的所有薄膜均顯示超導(dǎo)性而不需任何進(jìn)一步的熱處理，在39K時(shí)顯示零電阻。這種方法可用于制備大面積超導(dǎo)薄膜。2.3.3MgB2薄膜的制備及表征[19]2.3.3.1靶材的制備：本文采用的是傳統(tǒng)的固相燒結(jié)反應(yīng)制備靶材，主要步驟如下：配料：按化學(xué)計(jì)量比稱取一定量的Mg和B粉末，按組分比1：2混合均勻，然后在氬氣室溫環(huán)境下充分混合研磨2h.燒結(jié)制靶：將研磨好的粉末用壓片機(jī)壓制成直徑為20mm，厚3mm的圓片，然后放入Ta皿中，在石英管中氬氣環(huán)境下經(jīng)多次焙燒-磨粉-再燒結(jié)制備而成。應(yīng)用上述燒結(jié)工藝，制備出了MgB2靶材。下圖為MgB2靶材粉末的XRD圖。由圖可知，樣品有很好的單向性，無(wú)雜相峰。另外，樣品的衍射峰尖銳，表明樣品的結(jié)晶性較好。2.3.3.2采用PLD技術(shù)制備MgB2薄膜U8]PLD系統(tǒng)如圖所示。激光光源為L(zhǎng)ambdaPhysikLPX305iF型準(zhǔn)分子激光器，工作氣體為KrF，激光波長(zhǎng)為248nm。激光的能量密度和脈沖頻率可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)。具體的薄膜制備步驟如下：襯底的清洗：將拋光單晶Si(111)片用氫氟酸浸泡10min，用超聲清洗2?3次后作為襯底.每次5?10分鐘，直至襯底表面干凈。最后用去離子水反復(fù)沖洗，干燥后將襯底置于硅板加熱器上。系統(tǒng)抽真空及襯底加熱：利用機(jī)械泵和分子泵抽真空，當(dāng)系統(tǒng)真空達(dá)到10-3Pa時(shí)，可以開始加熱硅板，同時(shí)繼續(xù)抽真空，這樣有利于襯底表面的再次清洗。當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)到10-4Pa時(shí)即可開始沉積薄膜。薄膜沉積：當(dāng)系統(tǒng)真空保持在10-4Pa，同時(shí)襯底溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度且比較穩(wěn)定后，此時(shí)即可開始沉積薄膜。這一步驟是整個(gè)制備工藝的關(guān)鍵，要注意光路的調(diào)節(jié)，使激光束聚焦于靶材，且羽輝均勻地覆蓋襯底。薄膜沉積參數(shù)(激光能量密度、重復(fù)頻率、襯底溫度及脈沖數(shù)等)可根據(jù)具體材料和實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩?lái)選擇，確定好各種沉積參數(shù)后，即可開始沉積薄膜。退火處理：沉積結(jié)束后，可根據(jù)需要進(jìn)行退火處理(按照預(yù)定的工藝設(shè)計(jì)：退火溫度、時(shí)間)或不做退火處理(薄膜按一定降溫速率降至室溫)。按照以上步驟即可制備出MgB2薄膜。大量研究表明，在制備過(guò)程中，沉積溫度(襯底溫度TS)和退火時(shí)間等因素對(duì)MgB2薄膜性能有著非常重要的影響，下面進(jìn)行詳細(xì)討論：2.3.3.3 制備工藝對(duì)MgB2薄膜性質(zhì)的影響[19]沉積溫度對(duì)MgB2薄膜的影響XRD分析如下圖：SSE圖2為1,2和3MgB2薄膜樣品的XRD譜圖.可以看出,三個(gè)樣品均為c軸取向膜.隨著溫度的降低,MgB2薄膜樣品中的晶粒粒度越來(lái)越小，而晶粒的細(xì)小可引起衍射線的寬化.所以，改變制備溫度從900到300^,隨著溫度的降低,MgB2(001)和(002)衍射線的強(qiáng)度越來(lái)越弱，半高峰寬變寬.900°C，衍射峰尖銳且半峰寬較小，說(shuō)明MgB2薄膜具有很好的結(jié)晶性。采用PLD技術(shù)制備薄膜過(guò)程中，通過(guò)硅加熱板給襯底加熱，可以給濺射到襯底表面上的原子、離子等提供能量，使它們能夠成鍵結(jié)合、結(jié)晶生長(zhǎng)。由于襯底表面晶體結(jié)構(gòu)的影響，薄膜沿特定的晶體學(xué)方向外延生長(zhǎng)的能量較低。因此，在適當(dāng)?shù)某练e溫度下，MgB2薄膜在A12O3襯底上總是沿c軸方向取向生長(zhǎng)。因此，沉積薄膜時(shí)，要選擇適當(dāng)?shù)某练e溫度。用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)表面形貌進(jìn)行分析：為了進(jìn)一步了解沉積溫度對(duì)薄膜的生長(zhǎng)狀況和表面結(jié)構(gòu)的影響，我們利用SEM測(cè)量一系列不同沉積溫度下薄膜的表面形貌，如圖8所示。圖8MgB2薄膜的掃描電鏡照片(SEM)[(a),(b),(c)]分別為900,600和300C時(shí)制備的樣品,(d)為(b)的局部放大圖。

圖8圖8MgB2薄膜的掃描電鏡圖8為沉積溫度在900,600和300°C下的MgB2薄膜.900°。時(shí)制備的1#MgB2薄膜樣品的表面呈銀灰色,SEM照片顯示1#樣品由2-3Mm的六角形晶粒組成，晶粒之間連接不緊密;600C（2#樣品）時(shí)制備的MgB2薄膜樣品的表面呈金色，膜面由致密的細(xì)小晶粒組成，上面散布著大小不一的六角形大晶粒；300C時(shí)制備的3#薄膜樣品表面光滑致密，呈褐色,SEM照片顯示膜中晶粒形狀規(guī)則、排列致密，粒度約為50nm.從SEM的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，MgB2薄膜的沉積溫度在300C為最好。電阻一溫度特性：下面將主要討論沉積溫度對(duì)薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響。圖9是不同沉積溫度下制備的MgB2薄膜的電阻率隨溫度變化的關(guān)系。根據(jù)R-T的測(cè)量結(jié)果，可以得到Tc與R隨沉積溫度變化的關(guān)系曲線。Tc與R隨沉積溫度變化的關(guān)系曲線。0.8牛6堇一?一為900十為eoo'c圖9MgB2薄膜樣品的電阻R隨溫度T變化曲線Eloi-niiIms-wiiIhilsHkircniFig.3.ResistivitywrsustciDipcruturcmcnsurcinienLsof supcrcon-<3tringt'lhi-iinHIIttinEloi-niiIms-wiiIhilsHkircniFig.3.ResistivitywrsustciDipcruturcmcnsurcinienLsof supcrcon-<3tringt'lhi-iinHIIttin■with日土flizrenE:nnncjilciiitempcniiuires.ifji)p—7"cmrvesBromJOK_to200K_ol ILbiiri此Un■半on.SiifJJ1) 1±町.口心牡此<1at550-for3(3min.(b)SupercondiiijtingtrunsHiionicsnipeFutures.7^>P*i,偵占 jit<3iO<2rcnt.ri.nncjillc<3ItctThperilitu.rcx.OOQOODOCftsW-5O5332211(EWCF3吉>號(hào)司華□:MgB2膜薄樣品的超導(dǎo)電性米用標(biāo)準(zhǔn)四引線方法測(cè)得.圖9為三個(gè)樣品的電阻R隨溫度T的變化曲線.隨著MgB2薄膜制備溫度的降低，得到MgB2薄膜樣品的室溫電阻減小，超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度和零電阻溫度升高.從圖9可以看出,低溫下制備的MgB2薄膜樣品的起始轉(zhuǎn)變溫度和零電阻溫度分別為39.15和38.14K。以上研究結(jié)果表明，沉積溫度對(duì)于MgB2薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響非常顯著。根據(jù)不同沉積溫度下MgB2薄膜的XRD、SEM和轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)量結(jié)果，可知在300°C薄膜具有較好的結(jié)構(gòu)和物理性能。退火溫度和時(shí)間對(duì)MgB2薄膜的影響：下面將系統(tǒng)地研究退火對(duì)MgB2薄膜的影響，然后將制備的薄膜樣品分別在550C、600C、625C、650 C 、 675 C 、700 C 、 725 C 、750C、800C下退火30min,如圖3,結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在800C時(shí)有較高的轉(zhuǎn)變溫度。在確定采用800C退火后，退火時(shí)間的選擇是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于退火能夠明顯改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，從而大大提高薄膜的性能。為了能夠確定MgB2薄膜的最佳退火時(shí)間，我們系統(tǒng)研究了退火時(shí)間對(duì)薄膜的影響。下圖是MgB2薄膜在不同退火時(shí)間的電阻率一溫度關(guān)系。由圖可知退火時(shí)間為30min時(shí)效果最佳。Anneaingdunatjor'(nrinulu)2u30 40由E-uI'I1IpI'I'I'_3je. -' r

由以上分析可知，退火處理的確可以改善和提高M(jìn)gB2薄膜的性能，但并不是所有的退火處理都對(duì)薄膜有利，不合適的退火時(shí)間也可能導(dǎo)致薄膜性能的降低。所以，必須依據(jù)所研究的薄膜體系并結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究為薄膜性能的優(yōu)化選擇合適的退火工藝。由上可知，在800°C高溫下，退火30min可顯著提升MgB2薄膜的性能。3結(jié)果與討論通過(guò)本文，我們了解了超導(dǎo)現(xiàn)象及其基本性質(zhì)，MgB2超導(dǎo)薄膜的基本性質(zhì)及應(yīng)用。介紹了有關(guān)PLD薄膜制備方法。利用脈沖激光沉積加后退火處理技術(shù)在A12O3(001)基片上成功地制備出了。軸取向的MgB2超導(dǎo)薄膜.研究了MgB2薄膜的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)超導(dǎo)電性的影響.通過(guò)MgB2薄膜及物性研究發(fā)現(xiàn)，隨著MgB2薄膜制備溫度的提高，得到的MgB2薄膜中的晶粒粒度增大、薄膜的c軸取向程度提高.但與此同時(shí)，薄膜的超導(dǎo)電性下降.由上可知沉積參數(shù)的選擇對(duì)于生長(zhǎng)MgB2薄膜非常重要。沉積溫度、退火溫度和時(shí)間等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜的結(jié)晶特性、表面形貌有顯著的影響，從而對(duì)其超導(dǎo)特性產(chǎn)生影響。通過(guò)系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)研究，我們獲得了制備MgB2薄膜的最佳工藝參數(shù)：TS=300C；退火溫度：800C；退火時(shí)間：30min。參考文獻(xiàn)[1]伍勇韓汝珊：《超導(dǎo)物理基礎(chǔ)》，北京，北京大學(xué)出版社，1997.[2]C.J.Corter.ProgressinLowTemperature[J].Phys.1957,2.[3]張立源，張金龍，崔廣霽：《超導(dǎo)物理學(xué)》，北京，電子工業(yè)出版社，1995.[4]張其瑞,張酣,何振輝,許祝安,王勁松，譚明秋,王楠林，全國(guó)高溫超導(dǎo)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集,1991