石英襯底上超導鈮金屬薄膜的制備技術研究.pdf

1、高質(zhì)量超導鈮金屬薄膜的超導轉(zhuǎn)變溫度(Tc)可達到9.3 K,能經(jīng)受多次高低溫循環(huán)而超導性能不降低,另外其還具有機械強度高、耐腐蝕等特點。因此自鈮超導薄膜實現(xiàn)以來,就被迅速的應用于國防、醫(yī)療、能源等諸多領域。目前通常采用磁控濺射法制備鈮超導薄膜,但是由于鈮金屬熔點高、易吸氧,在制備過程中鈮膜的質(zhì)量會受到多種因素的影響。因此本論文基于直流磁控濺射鍍膜法在石英襯底上開展了高質(zhì)量的超導鈮金屬薄膜的制備工藝的研究。主要研究成果如下:
　　首

2、先采用簡單的直流磁控濺射鍍膜設備在平面石英襯底上制備鈮膜,并通過X射線衍射儀(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、四探針電阻測試儀、綜合物性測量系統(tǒng)(PPMS)等分析手段來表征薄膜。研究發(fā)現(xiàn)制備的鈮膜為體心立方結(jié)構(gòu)的多晶薄膜,并沿(110)晶向擇優(yōu)生長。通過研究不同工藝參數(shù)(濺射氣壓、襯底溫度、薄膜厚度、沉積速率、退火過程等)對鈮膜質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)濺射氣壓、襯底溫度、薄膜厚度等參數(shù)均對鈮膜的結(jié)晶狀況、內(nèi)部應力、表面形貌、電性能有顯著地影響

3、。通過參數(shù)優(yōu)化,在平面石英襯底上制備出了結(jié)晶質(zhì)量較好、表面光滑致密(RMS為2.88 nm)、內(nèi)部應力(-0.31 GPa)較小、超導轉(zhuǎn)變溫度為9.07 K的鈮超導薄膜。
　　其次通過改善鈮膜制備條件并結(jié)合鈮膜生長規(guī)律,研究了襯底偏壓對磁控濺射制備鈮膜結(jié)構(gòu)和性能的影響,研究發(fā)現(xiàn):一定的襯底負偏壓(-100 V)會促使鈮膜電阻率增加,不利于提高鈮膜電性能。另外還利用鈮原子的“吸氣”特性,通過提高濺射功率在3.5×10-4 Pa的背景

4、真空下制備出結(jié)晶質(zhì)量高、表面光滑致密(RMS為3.9 nm)、內(nèi)部應力(約為-0.20 GPa)較小、超導轉(zhuǎn)變溫度為9.3 K的高質(zhì)量鈮超導薄膜。
　　最后為制備可用于磁懸浮技術研究的球面鈮超導薄膜,本論文還通過改進磁控濺射鍍膜設備的結(jié)構(gòu)并設計出球形襯底托盤,研究了不同運動狀態(tài)下球面鈮膜的厚度分布情況,并在表面光滑的實心石英球襯底上制備出附著性較好、表面電阻較低(電阻平均值為4.5Ω,電阻均方差為0.19)、膜厚分布較均勻的球面鈮