反应离子刻蚀与离子刻蚀方法的研究与比较

在制备所有的NbN超导隧道结的过程中,为了得到良好的隧道结,刻蚀是很关键的一步,我们对反应离子刻蚀(RIE)和离子刻蚀两种不同的方法进行了研究比较.通过对多层结构用三种不同的方法刻蚀,再进行SEM观察切面图像,发现离子刻蚀出来的薄膜边缘,与离子源与基片摆放的方向有很大的关系,而RIE刻蚀的结区边缘较为平缓且结果稳定,有利于我们制备更好质量的超导隧道结.     

Nb/A1-AlO_X/Nb隧道结的制备研究

通过改进RIE的刻蚀工艺和绝缘层的生长工艺,在SiO2/Si衬底上制备出了性能良好的超导Nb/A1-AlOX/Nb隧道结。采用CF4作为刻蚀气体,降低了RIE对结势垒层和衬底SiO2层的刻蚀。使用PECVD生长绝缘层SiO2,改善了绝缘性能,从而降低了隧道结的漏电流。     

超导纳米线单光子探测器件的制备

超导纳米线单光子探测器件(SNSPD)是超导单光子探测系统的核心器件。文中介绍了成功制备的基于5nm厚的NbN超导超薄薄膜的SNSPD器件。器件核心结构为150nm宽的纳米曲折线结构,纳米线条占空比为75%,面积为20μm×20μm。超导纳米线是利用电子束曝光(EBL)技术和反应离子刻蚀(RIE)等工艺技术制备的。所制备的SNSPD样品,在温度3.5K下的临界电流约12.9μA;在1310nm波长光波辐照,12.5μA的偏置电流下,探测效率约0.016%。     

超导HEB器件制备中的图形转移技术研究

超导HEB热电子混频技术是目前1THZ以上频段的最佳候选技术。在HEB器件的制备中,成功刻蚀微桥是关键。文章利用EBL、光刻技术、RIE技术相结合的方式,对如何成功刻蚀微桥进行了深入研究。并通过对EBL、光刻技术和RIE条件的研究分析,确定了最佳实验条件,成功实现了HEB器件的图形转移。     

耐熔微掩膜法制备高温超导Josephson结

在超导Josephson结的制备过程中，传统的成结方式为对超导薄膜进行化学刻蚀或离子刻蚀，以形成特定图形的结．而刻蚀这一步常常会给结的性能带来负面影响，从而直接导致超导器件性能的下降．本介绍了一种利用耐融微掩模制备高温超导Josephson结的方法．本方法的特点是：一次成结无需后期刻蚀，利用此方法可以避免刻蚀工艺对超导器件性能的影响，制备高质量的高温超导Josephson结．本给出利用此方法制备高温超导YBCO／YSZ双晶结的有关工艺，以及初步的实验结果．     

基于LSAT衬底YBa2Cu3O7-δ台阶结的射频高温超导量子干涉器的制备和表征

基于 YBa2Cu3 O7 -δ (YBCO) 台阶边沿型约瑟夫森结( 台阶结) 的高温超导量子干涉器(Superconducting Quantum Interference Device, 简称 SQUID) 在微弱磁场测量等领域具有重要应用价值. 制 备 YBCO 台 阶 结 及SQUID 的常用单晶衬底包括 LaAlO3 (LAO) 、SrTiO3 (STO) 及 MgO 等. (La0 .3 ,Sr0 .7 ) (Al0 .65 ,Ta0 .35 )O3 (LSAT) 没有孪晶现象、 与 YBCO 的晶格失配度很小(仅为0.4% ) , 有潜力成为制备 YBCO 台阶结及相应的高温超导 SQUID器件的新的衬底选择. 本文首次探索研究了 LSAT 衬底上 YBCO 台阶结型射频超导量子干涉器(rf SQUID) 的制备和表征. 采用氩离子束刻蚀技术在 LSAT(100) 衬底上制备角度约为46°的台阶, 利用脉冲激光沉积法在衬底上生长 YBCO 超导薄膜, 然后利用传统紫外光刻技术制备出高温超导rf SQUID 器件. 在温度为77 K 时, 器件测试观察到幅度较大的电压-磁通特性曲线, 且在部分器件的特性曲线中观察到接近方波的非传统波形, 表明器件工作于噪声较低的色散模式下. 频率1 kHz 时器件的磁通噪声约为20 μΦ0/Hz1/2 , 与文献中报道的 LAO、STO 衬底上台阶结型SQUID 器件的典型结果相当. 本工作展示了利用 LSAT 衬底制备低噪声台阶结型rf SQUID 器件的可行性, 并为进一步研制该衬底上更高性能的高温超导SQUID 器件奠定了基础     

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.     

扫描SQUID显微镜的研制及其在磁成像和无损检测中的应用

研制了两种用于检测室温样品的超导量子干涉器(SQUID)扫描磁场显微镜(以下简称扫描SQUID显微镜),一种使用常规低Tc(Nb)SQUID器件,另一种使用高温(YBCO)SQUID器件.SQUID安装在内杜瓦底部的冷指底端,外杜瓦底部有60～75微米厚的白宝石窗口,被测样品处于室温状态位于窗口下,SQUID与被测样品之间的间距通过波纹管的伸缩进行调节.常规低Tc(Nb)器件系统的空间分辨率优于140μm,磁场灵敏度优于3pT/Hz1/2,高温(YBCO)器件系统的空间分辨率～500μm,磁场灵敏度～46pT/Hz1/2.两者均能长时间稳定地工作在无屏蔽环境中.利用两台扫描SQUID显微镜,进行了多种有应用价值的磁成像实验和无损检测研究.     

磁控溅射多层沉积Nb_3Sn超导薄膜北大核心CSCD

Nb3Sn金属合金是一种性能优良的超导材料。磁控溅射多层沉积是用两个溅射源分层沉积铌和锡,再经过高温退火后获得超导薄膜的方法。用这种方法所获得的超导薄膜的原子组分的调整比较方便,对于Nb3Sn的研究较为有利。实验测量了样品的超导参数和晶格参数,其超导临界温度(Tc)可达17 K,剩余电阻率(RRR)为5左右。需要进一步研究相关工艺,以便提高RRR,从而使这种方法在超导加速腔的制造中得到应用。     

磁控溅射多层沉积Nb_3Sn超导薄膜

Nb3Sn金属合金是一种性能优良的超导材料。磁控溅射多层沉积是用两个溅射源分层沉积铌和锡,再经过高温退火后获得超导薄膜的方法。用这种方法所获得的超导薄膜的原子组分的调整比较方便,对于Nb3Sn的研究较为有利。实验测量了样品的超导参数和晶格参数,其超导临界温度(Tc)可达17 K,剩余电阻率(RRR)为5左右。需要进一步研究相关工艺,以便提高RRR,从而使这种方法在超导加速腔的制造中得到应用。     

高Tc超导薄膜及电子器件

在 198 7年初,发现液氮温区超导体几星期之内,研究高温超导薄膜及其器件的工作在各国也随之广泛地展开.由于它在电子学方面的实际应用前景诱人,这些研究工作以前所未有的步伐发展着.这些应用包括单层型器件(如简单互连线、红外探测器和许多微波无源器件)和多层型器件[如复杂的互连线、超导量子干涉器件(SQUID)和约瑟夫森(Josephson)集成电路].在实验室范围内人们已经实现了上述单层型器件的应用,多层型器件也正在发展之中. 超导薄膜的制备是第一个目标.钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-x)是首先发现的也是研究得最多的材料.各种物理气相淀积、化学气…     

具有Washer型输入线圈的超导量子干涉放大器的制备与表征

超导量子干涉仪(SQUID)放大器具有低输入阻抗、低噪声、低功耗等优点, 目前被广泛用于微弱信号的检测领域. 与其他工艺相比, Nb/Al-AlO_x/Nb结构的约瑟夫森结具有相对较高的转变温度(T_c)、高的磁通电压调制系数以及良好的热循环能力、较宽的临界电流范围, 因此是制备SQUID放大器的很好选择. 设计并制作了欠阻尼、过阻尼约瑟夫森结以及具有Washer型输入线圈的单SQUID放大器, 通过在He³制冷机3 K温区下对器件电流-电压特性进行测量, 得到良好的结I-V特性曲线、SQUID调制特性, 初步实现利用SQUID进行放大作用, 并计算了SQUID的电流分辨率. 此项工作对于超导转变边沿传感器读出电路的实现具有重要的意义.     

氩离子刻蚀对高温超导YBCO薄膜物理特性的影响

本文研究了高温超导薄膜表面经氩离子不同程度刻蚀后其物理性能的变化,并采用离子刻蚀的方法设计制备了一个四节超导滤波器.YBa2Cu3O7-x(YBCO)薄膜表面经氩离子适当厚度刻蚀后的测试结果表明,薄膜的零电阻超导临界温度Tc随刻蚀时间适当的增加而提高,但过度刻蚀会带来电阻率的增大及转变宽度加宽.经SEM观测,刻蚀后薄膜表面的颗粒减少,趋于平整,通过XRD分析,离子刻蚀使薄膜晶格常数c发生了变化,同时测得超导薄膜的临界电流密度Jc基本保持不变.这一工作表明氩离子刻蚀对薄膜的氧含量及氧分布有一定的调控作用,并能提高薄膜的平整度,而且用此工艺制备出的超导滤波器显示出良好的微波特性,各项指标均达到了设计要求.这些研究对高温超导薄膜在微波电路中的应用提供了有利的帮助.     

基于直接胶体晶体刻蚀技术的高度有序纳米硅阵列的尺寸及形貌控制

以自组装单层胶体小球阵列为掩模，采用直接胶体晶体刻蚀技术在硅表面制备二维有序尺寸可控的纳米结构.在样品制备过程中，首先通过自组装法在硅表面制备了直径200nm的单层聚苯乙烯(PS)胶体小球的二维有序阵列；然后对样品直接进行反应离子刻蚀(RIE)，以氧气为气源，利用氧等离子体对聚苯乙烯小球和对硅的选择性刻蚀作用，通过改变刻蚀时间，制备出不同尺寸的PS胶体小球的有序单层阵列；接着以此二维PS胶体单层膜为掩模，以四氟化碳为气源对样品进行刻蚀；最后去除胶体球后得到二维有序的硅柱阵列.SEM和AFM的测量结果表明：改变氧等离子体对胶体球的刻蚀时间和四氟化碳对硅的刻蚀时间，可以控制硅柱的尺寸以及形貌，而硅柱阵列的周期取决于原始胶体球的直径. 关键词： 胶体晶体刻蚀 纳米硅柱阵列     

低噪声超导量子干涉器件磁强计设计与制备

超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)作为一种极灵敏的磁通传感器,在生物磁探测、低场核磁共振、地球物理等领域得到广泛应用.本文介绍了一种基于SQUID的高灵敏度磁强计,由SQUID和一组磁通变压器组成. SQUID采用一阶梯度构型,增强其抗干扰性.磁通变压器由多匝螺旋的输入线圈和大尺寸单匝探测线圈组成,其中输入线圈与SQUID通过互感进行磁通耦合.利用自主工艺平台,在4英寸硅衬底上完成了基于Nb/Al-AlO_x/Nb约瑟夫森隧道结的SQUID磁强计制备.低温测试结果显示,该磁强计磁场灵敏度为0.36 nT/Φ_0,白噪声段磁通噪声为8μΦ_0/√Hz,等效磁场噪声为2.88 fT/√Hz.     

YBCO-SrTiO_3-YBCO多层薄膜超导线圈

采用射频磁控溅射在(100)SrTiO_3衬底上生长了 YBCO-SrTiO_3-YBCO 多层薄膜,并结合氩离子束刻蚀技术加工了线条宽10μm 共9匝的多层结构超导线圈,研究了总长约9.4mm宽10μm YBCO 线条的超导连通及超导连接和超导线条绝缘跨接的情况.线圈超导连通 T_c为82K,在77K 的 J_c 为5.4×10~4Acm~(-2),SrTiO_3绝缘层在77K 的电阻率为3.9×10~3Ωcm,基本可以满足薄膜磁通变换器中多匝输入线圈的工艺要求.     

铌基超导量子比特及辅助器件的制备

近年来超导量子计算的研究方兴未艾,随着谷歌宣布首次实现“量子优势”,这一领域的研究受到了人们进一步的广泛关注.超导量子比特是具有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等典型量子特性的宏观器件,通过电磁脉冲信号控制磁通量、电荷或具有非线性电感和无能量耗散的约瑟夫森结上的位相差,可对量子态进行精确调控,从而实现量子计算和量子信息处理.超导量子比特有着诸多方面的优势,很有希望成为普适量子计算的核心组成部分.以铌或其他硬金属(如钽等)为首层大面积材料制备的超导量子比特及辅助器件(简称铌基器件)拥有其独特的优点以及进一步发展的空间,目前已引起越来越多的兴趣.本文将介绍常见的多种超导量子比特的基本构成和工作原理,进而按照器件加工的一般顺序,从基片选择和预处理、薄膜生长、图形转移、刻蚀和约瑟夫森结的制备等方面详细介绍铌基超导量子比特及其辅助器件的多种制备工艺,为超导量子比特的制备提供一个可借鉴的清晰的工艺过程.最后,介绍若干制备铌基超导量子比特与辅助器件的具体例子,并对器件制备的工艺与方法的优化做展望.     

超导磁力仪射频屏蔽仿真与实验研究

超导量子干涉器件(SQUID)是超导磁力仪的核心器件,应用于地球物理探测时,环境射频电磁场干扰SQUID工作,导致性能(噪声和工作稳定性等)全面下降,甚至无法正常工作.本文运用电磁场仿真技术和测试方法,对物探SQUID应用的射频干扰屏蔽方法与效果进行分析研究.模拟户外环境仿真,结果表明:随着屏蔽层数增加可屏蔽的射频场的频谱范围增大,8层时就可达到满意的屏蔽效果.测试与仿真结果的规律一致.基于室内和户外两种不同电磁环境开展了低温SQUID工作射频屏蔽对比验证.实验结果表明:不同应用环境对系统射频屏蔽的要求不同(室内:2层以上屏蔽,户外:8层以上屏蔽).本研究为定量分析并解决物探环境射频屏蔽的关键问题奠定了基础.     

硼膜制备工艺、微观结构及其在硼化镁超导约瑟夫森结中的应用

MgB_2材料具备临界转变温度较高、相干长度大、临界电流和临界磁场高等优点,被认为有替代Nb基超导材料的潜力.研究了不同温度下以化学气相沉积法制备的硼(B)薄膜的微观结构.实验结果表明:较低温度沉积的B先驱薄膜为无定形B膜,可以与Mg蒸气反应生成MgB_2超导薄膜;当沉积温度高于550?C时,所得硼薄膜为晶型薄膜;以晶型硼薄膜为先驱膜在镁蒸气中退火,不能生成硼化镁超导薄膜.利用晶型B膜的这一特点,成功制备了以晶型硼薄膜为介质层的硼化镁超导约瑟夫森结.     

类桑拿法制备的周期性结构Mo金属催化电极及其在电解水制氢中的应用

采用类桑拿法制备了聚苯乙烯微球模板, 结合双层Mo金属结构, 获得了具有周期性结构的Mo金属催化电极. 通控制氧气对聚苯乙烯球的刻蚀时间, 可有效调制Mo金属催化电极的横、纵向尺寸, 从而获得不同的衬底比表面积. 通过原子力显微镜表面形貌测试、电化学线性扫描、塔菲尔测试以及阻抗谱分析表明: 增大刻蚀时间可有效提高Mo金属催化电极的表面粗糙度和比表面积, 进而降低电荷传输电阻和塔菲尔斜率, 促进催化电极/电解液界面处析氢反应的进行. 采用类桑拿法和双层Mo金属结构制备周期性结构的方法简单, 可大面积化, 同时低温磁控溅射法制备的Mo金属催化电极成本低廉, 温度兼容多种太阳电池器件, 具有形成高效一体化光水解制氢器件的潜力.