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本论文介绍了La2-xSrxCu04(LSCO)超导薄膜的制备过程、超导电性和表面形貌。研究了在大气和氧气中退火的热处理工艺对薄膜超导电性的影响;另外研究了间断热弛豫制备工艺对薄膜表面形貌的影响。
第一章首先叙述了超导电性的研究和发展简史,接着介绍了超导理论的发展,超导材料的发展和高温超导薄膜研究的重要性,最后介绍了LSCO晶体和薄膜的研究背景。
第二章介绍了高温超导薄膜制备及结构性能表征,包括高温超导薄膜的靶材和样品的制备方法,薄膜的微加工光刻工艺和高温超导薄膜的测量与分析方法。
第三章主要研究了用直流磁控溅射法制备的La2-xSrxCuO4(LSCO)薄膜的电学性质。首先介绍了LSCO靶材和薄膜样品的制备,及LSCO的晶体结构和超导电性。笔者通过磁控溅射法制备了高质量的LSCO薄膜。本章详细研究了生长温度、生长气氛、薄膜厚度、基片的选择、在大气和氧气中骤冷的退火工艺及间断热弛豫制备工艺对LSCO薄膜电学性质的影响。在最佳生长温度为860℃的生长条件下,生长在SrTiO3(STO)基片,沉积时间为l小时的LSCO薄膜Tc可达27.9 K。我们发现Ar: O2=34 Pa:6 Pa的生长气氛对LSCO薄膜的超导电性最有利。随着膜厚增加,薄膜从半导体转变成超导体,并且Tc会随着膜厚增大而逐渐增加。在STO基片上制备的薄膜的超导转变温度要高于在LaA10。(LAO)基片上制备的薄膜。通过在大气或在O2中骤冷的退火工艺可显著提高薄膜Tc至34 K左右,退火气氛对薄膜超导电性影响不大,实验表明较好的退火温度区间为550~650℃。由于这种退火工艺并未使薄膜氧化到形成间隙氧的程度,薄膜超导电性的提高可能是因这种工艺有效释放了薄膜的内应力所致。间断热弛豫制备工艺对薄膜超导电性有一定的影响:当沉积时间大于20分钟时,是否经历间断热弛豫工艺对薄膜超导转变温度没有影响;当沉积时间小于20分钟时。间断热弛豫制备工艺可以提高薄膜超导电性。
第四章主要研究了LSCO薄膜的微结构,通过原子力显微镜(AFM)表征了薄膜的表面形貌。首先介绍了薄膜的生长模式,随后研究了薄膜厚度、不同基片、生长温度和气氛、间断热弛豫的制备工艺等因素对LSCO薄膜表面形貌的影响。随着膜厚的增加,薄膜从二维层状生长逐渐转变成三维岛状生长,在薄膜生长初期,薄膜以二维方式生长并且薄膜表面的均方根粗糙度随膜厚增加而增大。随着膜厚的增加,薄膜转变为三维生长,表面粗糙度增加并趋于一个常数。笔者对薄膜(006)峰的摇摆曲线进行测量,结果显示随着薄膜厚度的增加,摇摆曲线的半高宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)有减小的趋势,薄膜的取向性变好。当薄膜与基片的晶格失配度较小时,薄膜倾向于以二维生长模式生长,较大时一般以三维岛状模式生长。通常沉积温度过低会导致薄膜沿a方向择优生长,而在较高的沉积温度下薄膜会沿c方向择优生长。本实验中在高温下±10℃的生长温度变化没有引起薄膜表面形貌的显著变化。同位同温条件下,我们通过对薄膜进行间断热弛豫处理有效地降低了薄膜平滑区的表面粗糙度。
最后对全文的工作做了详细的总结。