硅衬底MgB_2-B-MgB_2超导SNS约瑟夫森结的制备与特性

利用两步原位电子束蒸发技术,在Si(111)衬底上制备了MgB2-B-MgB2超导SNS约瑟夫森夹心结.夹心硼(B)层厚度从10nm到80nm范围内MgB2-B-MgB2/Si(111)薄膜表现出明显的SNS约瑟夫森结特性,而在5nm和100nm处薄膜分别是整体超导和正常金属特性.在同一温度下,随着硼层厚度的增加,临界结电流减小,对同一厚度下,临界结电流随着温度的增加而减小.同时,实验指出,夹心硼SNS超导MgB2约瑟夫森结的电流-电压(I-V)曲线具有回滞现象,符合SM模型.     

MgO衬底上YBa2Cu3O7-δ台阶边沿型约瑟夫森结的制备及特性

MgO衬底上的YBa2Cu3O7-δ(YBCO)台阶边沿型约瑟夫森结(台阶结)在高灵敏度高温超导量子干涉器(superconducting quantum interference device,SQUID)等超导器件研制方面具有重要的应用价值和前景.本文对此类YBCO台阶结的制备和特性进行了研究.首先利用离子束刻蚀技术和两步刻蚀法在MgO(100)衬底上制备陡度合适、边沿整齐的台阶,然后利用脉冲激光沉积法在衬底上生长YBCO超导薄膜,进而利用紫外光刻制备出YBCO台阶结.在结样品的电阻-温度转变曲线中,观测到低于超导转变温度时的电阻拖尾现象,与约瑟夫森结的热激活相位滑移理论一致.伏安特性曲线测量表明结的行为符合电阻分路结模型,在超导转变温度TC附近结的约瑟夫森临界电流密度TC随温度T呈现出(TC-T)^2的变化规律,77 K时JC值为1.4×10^5 A/cm^2.利用制备的台阶结,初步制备了YBCO射频高温超导SQUID,器件测试观察到良好的三角波电压调制曲线,温度77 K、频率1 kHz时的磁通噪声为250μΦ0/Hz^1/2.本文结果为进一步利用MgO衬底YBCO台阶结研制高性能的高温超导SQUID等超导器件奠定了基础.     

MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结的制备与直流特性

本文采用MgB_2薄膜的混合物理化学气相沉积制备技术和金属掩膜版工艺,以B膜为势垒层在单晶Al_2O_3(0001)基底上制作了纵向三明治结构的MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结.应用标准四引线法对该超导结的R-T曲线和不同温度下的直流I-V曲线进行了测量研究.实验结果表明,制作的MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结超导开启温度为31.3 K,4.2 K时临界电流密度为0.52 A/cm~2,通过对直流特性I-V曲线的微分拟合,清晰地观测到MgB_2的3D带的能隙?π为2.13 meV.     

并联电阻对串联约瑟夫森结阵列相位锁定的影响研究

利用约瑟夫森结阵列制作毫米/亚毫米微波源的一个重要问题是阵列中约瑟夫森结的相位锁定.本文采用仿真的方法研究了约瑟夫森结RCSJ模型存在并联电阻时的相位锁定问题.研究结果包括约瑟夫森结临界电流的不一致性、McCumber参数和结的个数对能够实现相位锁定的参数范围的影响.结果对于约瑟夫森结阵列作为太赫兹产生和检测应用具有重要意义.     

高温超导双晶结混频器噪声系数测量

噪声系数(Noise Figure,NF)是超导混频器的一个重要参数,是衡量超导混频器内部噪声、影响混频器灵敏度的一个重要指标.实验基于小型脉冲管制冷系统,搭建高温超导约瑟夫森双晶结混频器噪声系数自动测量系统,工作温度为60K.Ar离子刻蚀工艺技术制备高温超导YBa2Cu3O7-δ(YBCO)/MgO约瑟夫森双晶结,通过Y-因子噪声测量法,测量YBCO/MgO约瑟夫森双晶结混频器的噪声系数.实验成功制备了特征电压约1mV的YBCO/MgO约瑟夫森双晶结,在650GHz信号辐照下,有明显的夏皮罗(Shapiro)台阶.在210GHz信号辐照下,进行30次谐波混频,约瑟夫森双晶结在不同偏置电压点中频输出信噪比变化范围约为30dB.在77K与300K不同输入噪声功率下,测得双晶结混频器噪声系数最小值为10dB,偏置电压在300μV.     

高温超导双晶约瑟夫森结阵列毫米波相干辐射

研究了嵌入Fabry-Perot谐振腔的高温超导双晶约瑟夫森结阵列毫米波相干辐射的实验结果.相干辐射是通过约瑟夫森结阵列与基片(作为一个介质谐振器)和Fabry-Perot(FP)谐振器的共同作用实现的.由166个高温超导双晶约瑟夫森结串联阵列在77 K温度下产生的相干辐射,辐射峰的中心频率为75.84 GHz,功率大约为10 pW. 关键词： 高温超导薄膜 Fabry-Perot谐振腔 约瑟夫森结 毫米波辐射     

SrTiO3基片上Tl-2212双晶约瑟夫森结的动态特性及噪声影响研究

在SrTiO₃（STO）基片上制作了Tl-2212双晶约瑟夫森结,并对其进行了微波辐照下的I-V特性测试,观察到了夏皮罗台阶,符合约瑟夫森电压-频率关系.利用数值仿真对约瑟夫森结建立了RCSJ模型,仿真结果与实验数据符合较好,利用此模型深入研究了噪声对结动态特性的影响,解释了噪声影响下结的微波感应台阶幅度减小和极小值展宽现象,提出了有效噪声温度为工作温度和外部噪声的等效温度之和. 关键词： RCSJ模型 噪声 Tl-2212双晶约瑟夫森结     

NbN/AlN/NbN超导隧道结的制备工艺

研究了在MgO基片上制备NbN/AlN/NbN结的工艺,NbN和AlN的制备分别采用直流磁控溅射和交流磁控溅射。为了得到良好特性的隧道结,首先要在高真空反应室里沉积三层膜结构,经过光刻和反应离子刻蚀,得到底电极和桥区的三层结构图形。再经过第二步光刻和刻蚀,仅保留底电极最下层的NbN,得到结区的三层结构图形,并覆盖AlN绝缘层。经过Lift-off工艺,洗去结区上的光刻胶,最后沉积上电极。使用四端子方法对制备的隧道结进行了一系列测量,特别是在高频(THz)下的响应。     

热噪声对约瑟夫森结I-V特性及微波感应台阶的影响研究

采用数值仿真的方法研究了热噪声对约瑟夫森结I-V特性及微波感应台阶的影响。研究表明,热噪声导致约瑟夫森结的I-V特性曲线呈现"圆拱化",也使得微波感应台阶高度减小。得出了取不同约瑟夫森结临界电流和结电阻时,热噪声对台阶的影响规律     

MgO衬底NbN/AlN/NbN多层膜的制备

本文主要讨论磁控溅射设备制备的NbN/AlN/NbN三层结构的技术工艺,为制备All-NbN的 NbN/AlN/NbN SIS 隧道结作准备.我们在室温下利用直流磁控溅射工艺制备了单晶NbN薄膜,并对其超导电性做了初步的研究;又利用射频磁控溅射工艺制备了取向较好的AlN薄膜.我们利用磁控溅射方法制作NbN/AlN/NbN多层薄膜,然后对制备SIS隧道结进行了一些探索.     

Electron spectroscopy study in the NbN growth for NbN/AlN interfaces

NbN superconductor and wide band gap AlN thin films were deposited using sputtering at room temperature. Study of the nitride interfaces are forerunner to the growth Josephson junctions that are considered able to work in the terahertz frequency. We find that to be compatible with lithography technology and to have a high critical transition temperature, the substrate should not be overheated, and this means working in low power regime to limit the induced heating of the plasma. X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray diffraction analysis were performed on samples deposited on crystalline, amorphous, flexible, and nanostructured substrates. The experimental results suggest us how to improve the deposition process in order to obtain the best nitride films as well as NbN/AlN/NbN trilayers for Josephson junction applications.     

AlN/NbN纳米结构多层膜的共格异结构外延生长研究

采用射频磁控溅射法制备了NbN,AlN单层膜及不同调制周期的AlN/NbN纳米结构多层膜,采用X射线衍射仪、小角度X射线反射仪和高分辨透射电子显微镜等对薄膜进行了表征.结果表明：单层膜AlN为六方结构,NbN为面心立方结构;AlN/NbN多层膜中AlN为六方结构,NbN为面心立方结构,界面处呈共格状态,其共格关系为c-NbN（111）面平行于h-AlN（0002）面,晶格错配度为013%.热力学计算表明:AlN/NbN多层膜中不论AlN层与NbN层的厚度如何,AlN层均不会形成亚稳的立方AlN,而是形成 关键词： AlN/NbN纳米结构多层膜 共格外延生长 异结构     

Electron spectroscopy analysis on NbN to grow and characterize NbN/AlN/NbN Josephson junction

Three layers, NbN based Josephson junction, has been growth by RF and by DC sputtering within the constrain required by the photolithography technology. An interesting superconducting film with critical temperature of , well above the temperature of the commercial cryocooler, has been obtained reducing sputtering power and finding a proper N₂ concentration in the gas mixture. The search of the new sputtering parameters has been obtained with the help of electron spectroscopy and X-ray diffraction analysis.     

TaN/TiN和NbN/TiN纳米结构多层膜超硬效应及超硬机理研究

采用射频磁控溅射方法制备单层TaN,NbN和TiN薄膜和不同调制周期的TaN/TiN和NbN/TiN纳米多层膜.薄膜采用X射线衍射仪、高分辨率透射电子显微镜和显微硬度仪进行表征.结果表明TaN/TiN和NbN/TiN纳米多层膜在一定的调制周期范围内均呈共格界面,相应地均出现了超硬效应,且最大硬度值接近.分析了TaN/TiN与NbN/TiN纳米多层膜的超硬机理,TaN/TiN的晶格错配度与NbN/TiN的接近,但TaN/TiN的弹性模量差与NbN/TiN的有一定的差别,表明由于晶格错配使共格外延生长在界面处 关键词： TaN/TiN纳米多层膜 NbN/TiN纳米多层膜 外延生长 超硬效应     

纳米多孔氮化铌薄膜红外宽带光响应特性

具有超导绝缘相变特性的纳米多孔超导薄膜在红外光电探测领域有着潜在的应用价值,而其在红外波段的宽带光响应特性研究目前尚未见报道.为此,本文以纳米多孔氮化铌(NbN)薄膜为主要对象,研究了其在780—5000nm的近、中红外波长范围内的光响应特性.首先,采用Drude模型拟合的方法,不仅将对实验数据拟合的精度提高了约17%,而且得到了中红外波段的NbN光学参数;进而,采用时域有限差分法分析了加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件的光响应特性,并给出了能够将纳米多孔薄膜简化为均匀薄膜的Bruggeman等效模型,从而可以将纳米多孔NbN薄膜光响应特性的仿真维度由三维降为一维;最后,基于等效模型和传输矩阵法,对加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件在近、中红外波段内的光吸收特性进行了优化设计.结果表明:一方面,使用Bruggeman等效模型简化设计过程并不会影响最终结果的正确性;另一方面,仅仅是加载较为简单的光学腔,即可使得探测器的薄膜光吸收率在近、中红外宽带设计时均大于82%,在近红外双波长设计时均大于93.7%,并且多孔薄膜结构具有天然的极化不敏感特性.     

MgO(111)上NbN和AlN薄膜的生长研究

在制备NbN/AlN/NbN隧道结的工艺过程中,为了获得具有优质单晶结构的NbN薄膜,我们在MgO(111)基片上探索了直流溅射法制备NbN薄膜的生长工艺条件,XRD研究分析表明,我们获得了单晶结构良好的NbN薄膜;为了支持作为上电极的NbN薄膜的生长,也需要良好的AlN薄膜用作势垒层,我们采用射频磁控溅射设备和纯净的Al靶对AlN薄膜进行了制备研究.实验结果表明,所获得的AlN薄膜具有六方c-轴取向,并讨论了衬底和薄膜界面处可能的结构情况.     

基于NbN，AIN技术的体声波器件研究

体声波滤波器由于其低插损、小尺寸、高带外抑制等特性，随着第三代移动通信以及蓝牙技术的发展而得到广泛研究，而MEMS技术和压电薄膜制备技术的进一步发展使高性能的体声波滤波器制作成为可能．我们以单晶MgO作为器件衬底，MgO/NbN多层结构作为AIN薄膜体声波器件的反射器，NBN／AIN／NbN三层结构为谐振器．在这样的多层结构的设计中由于各种材料之间的晶格失配小，可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AIN薄膜．通过控制AIN薄膜和NbN薄膜的不同厚度，可以获得不同频段范围的谐振器．压电薄膜的质量，以及体声波在多层结构界面上的能量损耗，直接影响到谐振器电学性能．基于AIN材料的压电性能，设计了NBN／AIN／NBN三层结构的谐振器，并进行了数值模拟．     

Extraordinary terahertz transmission through subwavelength spindle-like apertures in NbN film

We studied numerically the temperature dependent extraordinary terahertz transmission through niobium nitride(NbN) film perforated with subwavelength spindle-like apertures. Both the resonant frequency and intensity of extraordinary terahertz transmission peaks can be greatly modified by the transition of NbN film from the normal state to the superconducting state. An enhancement of the(±1, 0) NbN/magnesium oxide(MgO) peak intensity as high as 200% is demonstrated due to the combined contribution of both the superconducting transition and the excitation of localized surface plasmons(LSPs) around the apertures. The extraordinary terahertz transmission through spindle-like hole arrays patterned on the NbN film can pave the way for us to explore novel active tuning devices.     

First-principles calculations on the elastic and thermodynamic properties of NbN

<正>The elastic and thermodynamic properties of NbN at high pressures and high temperatures are investigated by the plane-wave pseudopotential density functional theory（DFT）.The generalized gradient approximation（GGA） with the Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE） method is used to describe the exchange-correlation energy in the present work.The calculated equilibrium lattice constant a₀,bulk modulus B₀,and the pressure derivative of bulk modulus B₀’ of NbN with rocksalt structure are in good agreement with numerous experimental and theoretical data.The elastic properties over a range of pressures from 0 to 80.4 GPa are obtained.Isotropic wave velocities and anisotropic elasticity of NbN are studied in detail.It is indicated that NbN is highly anisotropic in both longitudinal and shear-wave velocities. According to the quasi-harmonic Debye model,in which the phononic effect is considered,the relations of（V-V₀）/V₀ to the temperature and the pressure,and the relations of the heat capacity C_V and the thermal expansion coefficientαto temperature are discussed in a pressure range from 0 to 80.4 GPa and a temperature range from 0 to 2500 K.At low temperature,C_V is proportional to T³ and tends to the Dulong-Petit limit at higher temperature.We predict that the thermal expansion coefficientαof NbN is about 4.20×10^-6/K at 300 K and 0 GPa.