一种PBCO超导薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种PBCO超导薄膜及其制备方法，所述超导薄膜以Nb:SrTiO

A pbco superconducting thin film and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种PBCO超导薄膜及其制备方法
本专利技术涉及新型半导体材料的领域，具体涉及一种PBCO超导薄膜及其制备方法。
技术介绍
自从1911年H.K.Onnes偶然发现超导以来，它就引起了全球范围的关注。经过一个世纪的探索，人们在许多材料中发现了超导性，如纯金属、合金、化合物和铜酸盐。1986年，Miller和Bednorz在La2-xBaxCuO4中观察到了高温超导，开启了高温超导研究的新篇章。在YBa2Cu3O7中发现了90K以上的高温超导性，完成了液氮“热障”(77k)的突破，朝着应用方向迈出了一大步。近年来，一系列的高温超导化合物形式RBa2Cu3O7(R=Y或稀土原子)，如GdBa2Cu3O7和HoBa2Cu3O7的超导转变温度(Tc)≥90K，吸引了越来越多的关注。然而，同一种材料的制备条件、触发方式或测试手段不同可能得到超导或非超导两种截然不同的结论。例如，PrBa2Cu3O7(PBCO)薄膜的超导性目前仍然存在争议。化学掺杂样品Y1-xPrxBa2Cu3O7-δ具有超导行为，而超导转变温度Tc随掺杂量增加而降低，当Pr>0.6时，超导最终消失。目前一般未进行化学掺杂的PBCO薄膜样品表现出非超导和非金属行为。然而，化学掺杂的方法势必会改变PBCO材料的晶格结构和引入大量缺陷。同时，掺杂浓度在制备过程中也不容易控制与监测。因此，探索非化学掺杂方法制备PBCO超导薄膜势在必行。
技术实现思路
本专利技术提出了一种PBCO超导薄膜及其制备方法，制备的超导薄膜中未进行化学掺杂。实现本专利技术的技术方案是：一种PBCO超导薄膜，所述超导薄膜以Nb:SrTiO3单晶为衬底，利用脉冲激光沉积工艺沉积PrBa2Cu3O7薄膜，超导薄膜呈外延生长，厚度为20~50nm，降温至10K以下，进行超导触发，将衬底剥离，得到PBCO超导薄膜。所述PBCO薄膜的超导转变温度Tc可以通过注入电流调节，随着注入电流的增大而增大。所述PBCO超导薄膜为c轴取向。所述的PBCO超导薄膜的制备方法，步骤如下：（1）选取Nb:SrTiO3单晶（NSTO）为衬底，在衬底上利用脉冲激光沉积工艺制备PrBa2Cu3O7（PBCO）单晶薄膜，即为PBCO/NSTO薄膜；（2）降温至10K以下，对PBCO/NSTO薄膜异质结施加+Imin→+Imax的电流进行超导触发，得到PBCO超导薄膜；（3）采用衬底剥离技术，将NSTO单晶衬底剥离。所述步骤（1）Nb:SrTiO3单晶衬底为(001)晶向，衬底中Nb掺杂量为0.1~0.7wt%。所述步骤（1）中脉冲激光沉积工艺选择KrF准分子激光，激光波长为248nm，激光频率为3~5Hz，能量密度为2~3J/cm2；沉积温度780~850℃，氧分压100~200毫托。所述步骤（2）中1×10−9A＜+Imin＜1×10−7A，1×10−3A＜+Imax＜1×10−1A。所述步骤（2）中PBCO薄膜的厚度为20~50nm。所述步骤（3）中衬底剥离技术通过激光剥离技术。本专利技术的有益效果是：本专利技术对PBCO/NSTO异质结构进行电触发，在电触发的作用下控制注入载流子通过PBCO/NSTO异质结构，从而实现材料从非超导向超导转变的方法。PBCO薄膜的超导转变温度Tc可以通过注入电流调节，随着注入电流的增大而增大。本专利技术制备出的PBCO为单晶外延薄膜，具有晶格失配小，晶格缺陷少，性能稳定等优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是在NSTO（001）单晶衬底上的PBCO薄膜的XRD谱。图2是PBCO/NSTO界面区域的TEM图。图3是器件台阶结构和测试方法的示意图。通过电极1和4来触发和测量电压(V1)是PBCO/NSTO异质结电压。通过电极2和3来触发和测量电压(V2)是PBCO薄膜自身的电压。图4是PBCO/NSTO异质结和PBCO薄膜的线性I-V曲线。图5是PBCO/NSTO异质结PBCO薄膜的双对数I-V曲线。表明异质结和薄膜同时从高阻态跳变到低阻态，并且PBCO薄膜从高阻态跳变到零电阻状态。图6是超导PBCO薄膜I-V测试图。图7是PBCO薄膜的低阻态（超导态）的电阻-温度曲线。图8是PBCO薄膜在8mA、10mA、12mA三个最大电流测试下的电阻-温度曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1PBCO超导薄膜的制备方法，步骤如下：在Nb:SrTiO3(001)(NSTO,0.7wt%)衬底上制备了c轴取向的PBCO外延薄膜，其厚度约29nm。脉冲激光沉积系统使用KrF准分子激光，λ=248nm，频率=3Hz，能量密度为2J/cm2。沉积温度和氧分压在薄膜沉积被设置为800℃和150毫托。采用BrukerD8X射线衍射仪（XRD）测定了PBCO薄膜的晶体结构。通过透射电镜(TEM)(JEOLje-2100f)研究了PBCO/NSTO异质结构的微观结构，在200kV下操作，晶格分辨率为0.23nm。利用Gatan数字显微图像软件进行图像分析。采用平行于NSTO(001)平面的聚焦离子束(FIB)技术制备了TEM的截面样品。XRDθ-2θ扫描PBCO/NSTO异质结构由图1所示，制备出的PBCO薄膜(001)和(002)衍射峰存在，说明PBCO膜具有良好的c轴取向生长(PDF=47-0164)，不存在任何杂质相。根据XRD数据计算得到PBCO的晶格常数为c=11.710A，与报道的PBCO粉末的晶格常数(c=11.670A)接近。图2显示了与NSTOc轴平行的异质结构的亮场TEM图像。说明界面的锐利和光滑，确定了PBCO薄膜与NSTO衬底之间的外延关系，它们之间的定向关系为[001]PBCO//[001]NSTO。PBCO/NSTO异质结构包括PBCO薄膜、NSTO衬底和PBCO/NSTO界面三个区域。NSTO衬底电阻小，可以忽略不计。根据异质结构阶梯式结构研究，异质结构的总电阻(Rt)可以等于薄膜(Rf)的电阻与界面电阻(Ri)串联。为了将PBCO薄膜的电阻和PBCO/NSTO界面电阻区分开来，设计了如图3所示的阶梯结构。由于ab面内载流子迁移率高出c轴方向一个数量级，载流子从NSTO衬底通过PBCO/NSTO界面注入PBCO薄膜后，载流子在PBCO薄膜中平行移动。因此，电极1和4(图3所示)之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PBCO超导薄膜，其特征在于，所述超导薄膜以Nb:SrTiO

【技术特征摘要】
1.一种PBCO超导薄膜，其特征在于，所述超导薄膜以Nb:SrTiO3单晶为衬底，利用脉冲激光沉积工艺沉积PrBa2Cu3O7薄膜，降温至10K以下，进行超导触发，将衬底剥离，得到PBCO超导薄膜，超导薄膜呈外延生长，厚度为20~50nm。


2.根据权利要求1所述的PBCO超导薄膜，其特征在于，所述PBCO薄膜的超导转变温度Tc可以通过注入电流调节，随着注入电流的增大而增大。


3.根据权利要求1所述的PBCO超导薄膜，其特征在于，所述PBCO超导薄膜为c轴取向。


4.权利要求1-3任一项所述的PBCO超导薄膜的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）选取Nb:SrTiO3单晶为衬底，在衬底上利用脉冲激光沉积工艺制备PrBa2Cu3O7单晶薄膜，即为PBCO/NSTO异质结；
（2）降温至10K以下，对PBCO/NSTO异质结施加+Imin→+Imax的电流扫描模式进行超导触发，得到PBCO超导薄膜；
（3）采用衬底剥离技术，将N...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏凌，熊光成，张伟风，郭海中，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南;41