Si基片上脈沖激光外延生長(zhǎng)Bi-,2-Sr-,2-CaCu-,2-O-,x--YSZ復(fù)合薄膜.pdf

1、本工作的主要目的是采用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在Si(100)基片上原位生長(zhǎng)出具有Bi2212相的Bi2212/YSZ外延薄膜。 由于在同一真空條件下沉積Bi2212和YSZ的外延薄膜的最佳條件不同，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上分兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先，改變PLD的各種工藝參數(shù)如沉積溫度，激光能量，工作氣壓等來(lái)研究制備外延生長(zhǎng)YSZ薄膜的工藝；然后，在制備出的YSZ過(guò)渡層薄膜上研究外延生長(zhǎng)Bi2212超導(dǎo)薄膜的最佳工藝條件。結(jié)晶優(yōu)良的YSZ靶材和B

2、i2212靶材采用固相燒結(jié)的方法制備，薄膜的相組成和結(jié)晶性利用XRD分析，薄膜的表面和截面形貌利用掃描電電子鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)來(lái)觀察。 在Si(100)襯底上生長(zhǎng)YSZ薄膜時(shí)，我們主要通過(guò)改變襯底沉積溫度，沉積氣氛、脈沖激光能量以及退火工藝的方法來(lái)尋找最優(yōu)的外延生長(zhǎng)條件。結(jié)果表明：在Si(100)襯底上生長(zhǎng)YSZ薄膜時(shí)，500℃和650℃的基片溫度是分別獲得YSZ(111)取向多晶膜和(100)取向多晶膜的適當(dāng)

3、溫度，利用PLD技術(shù)制備具有外延織構(gòu)的YSZ(100)薄膜溫度不能低于550℃；低氧氣氛條件下制備的YSZ薄膜具有(111)取向，而高氧氣氛條件下薄膜則具有(100)取向，我們認(rèn)為這是山于氧氣分子造成的散射，使得沉積到襯底上的粒子的遷移率不同所致；脈沖能量的提高可以提高入射粒子的動(dòng)能，有利于形成致密且結(jié)晶性更好的外延薄膜；后退火處理不能改變YSZ薄膜的晶粒取向結(jié)構(gòu)，但是薄膜表面更加均勻平整，晶粒尺寸顯著增大，退火改善了薄膜的品質(zhì)。顯微分

4、析表明，YSZ晶粒垂直于基片呈柱狀生長(zhǎng)，我們認(rèn)為YSZ薄膜的生長(zhǎng)模式是島狀生長(zhǎng)。 在確定好YSZ過(guò)渡層的生長(zhǎng)參數(shù)之后，我們對(duì)Bi2212復(fù)合薄膜的制備參數(shù)進(jìn)行了研究，并討論了Bi2212薄膜相形成的機(jī)理。首先，我們?cè)诙喾N基片上沉積Bi2212薄膜，在650℃的襯底溫度下原位生長(zhǎng)的薄膜并沒(méi)有形成Bi2212相，其主相為Bi2201；原位生長(zhǎng)下沉積的Bi2212/YSZ/Si(100)復(fù)合薄膜形成的主相也是Bi2201相。通過(guò)800

5、℃后退火處理3小時(shí)后，我們發(fā)現(xiàn)(100)取向的Bi2201相可以大部分地轉(zhuǎn)化為(100)取向的2212超導(dǎo)相。具有YSZ過(guò)渡層的基片甚至可以在780℃退火后形成強(qiáng)而尖銳的2212相衍射峰，顯微分析表明退火后的Bi2212薄膜具有(001)的取向，薄膜表面形貌比較平整，凌亂的柱狀晶僅在局域區(qū)域以分形結(jié)構(gòu)集中表現(xiàn)出來(lái)，我們認(rèn)為這是由于退火后薄膜重結(jié)晶產(chǎn)生的缺陷所致。外延生長(zhǎng)的具有柱狀晶結(jié)構(gòu)的YSZ過(guò)渡層薄膜不僅可以避免Si和超導(dǎo)薄膜之間的反