高稳定性的多层高温超导纳米量子干涉器件制备方法技术

本发明专利技术的目的在于提供高稳定性的多层高温超导纳米量子干涉器件制备方法，包括如下步骤：通过脉冲激光沉积在具有24

【技术实现步骤摘要】
高稳定性的多层高温超导纳米量子干涉器件制备方法


[0001]本专利技术涉及的是一种高温超导量子干涉器件的制备方法。

技术介绍

[0002]YBa2Cu3O7‑
x
(YBCO)材料的超导相干长度非常短且各向异性，通常在a
‑
b平面上约为2纳米，沿c轴为0.2纳米。由于这些材料的复杂性质，特别是它们的小相干长度与原子尺度上的缺陷非常敏感有关。除此之外，这种材料的一个主要挑战是它的化学不稳定性和氧气扩散，特别是在横向尺寸低至100纳米范围内，这可能导致材料性能的严重退化。传感器稳定性是高温纳米量子干涉器件nanoSQUIDs应用的要求，因此避免传感器性能的时间稳定性是至关重要的。然而，如果样品在室温下储存，YBCO纳米SQUIDs会迅速恶化。这阻碍了生产效率和高温超导纳米量子干涉器件的更广泛的使用。例如，如果我们想把样品送到其他小组，在我们的高温超导纳米量子干涉器件上面放置磁性纳米颗粒(MNPs)。导致超导薄膜退化的一个可能原因是氧气在YBCO层中的扩散。在单晶薄膜中，氧气的传输是沿着晶体的a
‑
b平面进行的。在生长缺陷或晶界处，显著的氧扩散会沿着外延生长的薄膜的c轴出现。
[0003]为了实现传感器的长期稳定性，合适的绝缘材料作为钝化层应该是晶格匹配的、光滑的、致密的、无裂纹的，并且对YBCO多层的生长具有化学惰性，同时还能将双轴纹理转移到新沉积的层中。一些涂层材料，如聚酰亚胺、Nb2O5、Al2O3、无定形YBCO和SiO2已经被研究过。这些钝化层大多会降低YBCO薄膜的T
c
和临界电流密度J
c
。SrTiO3(STO)已被证明是多层结构中绝缘YBCO层的良好候选者。本专利展示了具有更多YBCO/STO界面的长时间稳定和高性能的高温超导纳米量子干涉器件，这有利于提高生产效率和纳米SQUID的更广泛的应用。YBCO/STO的周期性结构有两个功能。首先，STO层可以起到钝化层的作用，可以避免空气中吸湿性表面的降解，聚焦离子束研磨后沿外延生长薄膜的c轴出现明显的氧扩散。其次，多层结构可以提供额外的异质外延界面来阻断缺陷的生长，这与单层高温超导纳米量子干涉器件相比，多层的高温超导量子干涉器件在低频下的磁通噪声更优越。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供能弱化器件在空气中的恶化，进而提高超导纳米量子干涉器件的时间稳定化的高稳定性的多层高温超导纳米量子干涉器件制备方法。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：
[0006]本专利技术高稳定性的多层YBa2Cu3O7‑
x
/SrTiO3高温超导纳米量子干涉器件制备方法，其特征是：
[0007](1)通过脉冲激光沉积在具有24
°
晶界角的STO双晶衬底上，外延生长出厚度为30纳米的C轴导向的YBCO薄膜；
[0008](2)在相同的沉积参数下，沉积3纳米的STO薄膜；
[0009](3)继续上述过程，直到形成120纳米的YBCO薄膜，在YBCO薄膜之间有三个层间STO；
[0010](4)原位蒸发的厚度为65nm金层作为分流电阻，以提供非失稳的电流
‑
电压特性IVC；
[0011](5)经过光刻和氩气研磨过程，在STO双晶的表面上形成16个宽度为8um的约瑟夫森结；
[0012](6)通过聚焦离子束FIB用30keV的Ga离子制备高温超导纳米量子干涉器件；调制电流通过代表磁性纳米粒子耦合到高温超导纳米量子干涉器件的环里。
[0013]本专利技术的优势在于：本专利技术弱化了高温超导纳米量子干涉器件在空气中的恶化，进而提高了器件的时间稳定性，并且实验数据表明该多层的器件即使在长达一年的时间后仍然能保持良好的性能。除此之外实验表明，多层YBCO/STO的高温超导纳米量子干涉器件在低频下有更低的磁通噪声。
附图说明
[0014]图1为扫描电子显微镜下的高温超导纳米量子干涉器件；
[0015]图2为多层高温超导纳米量子干涉器件制备示意图；
[0016]图3为单层高温超导纳米量子干涉器件示意图；
[0017]图4为在不同时间记录的多层SQUID 14,15和单层SQUID 2的电压电流曲线；
[0018]图5为SQUID 15的两个偏置电流极性的临界电流I
c
与I
mod
的关系，在不同的时间t测量；
[0019]图6为在FLL模式下测量的通量噪声的均方根光谱密度，(a)为SQ
‑
15在直流偏压和偏压反向(f
br
＝20kHz)下测量，(b)为SQ
‑
15在直流偏压下测量，d＝39和89。
具体实施方式
[0020]下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：
[0021]结合图1
‑
6，本专利技术的具体流程如下：1.通过脉冲激光沉积在具有24
°
晶界角的STO双晶衬底上，外延生长出厚度为30纳米左右的C轴导向的YBCO薄膜。2.在相同的沉积参数下，沉积了3纳米的STO薄膜。3.然后继续同样的过程，直到总共120纳米的YBCO薄膜，在YBCO薄膜之间有三个层间STO。4.然后原位蒸发的厚度为65nm金层作为分流电阻，以提供非失稳的电流
‑
电压特性(IVC)。5.经过光刻和氩气研磨过程，在STO双晶的表面上有16个宽度为8um的约瑟夫森结。6.最后具有类似尺寸的高温超导纳米量子干涉器件是通过聚焦离子束(FIB)用30keV的Ga离子制备的。调制电流通过代表磁性纳米粒子耦合到高温超导纳米量子干涉器件的环里。通过上述设计，与单层高温超导纳米量子干涉器件相比(如图3)我们发现可以很大程度上提高器件的时间稳定性，进而促进高温超导纳米量子干涉器件的应用。
[0022]为了比较多层SQUID和单层SQUID的传输特性，记录了临界电流对时间的影响。对于多层SQUID 15，临界电流在最初的39天内快速下降，然后保持恒定的时间，甚至到380天为止。如图所示，在多层SQUID 14中也观察到类似的趋势。为了进行比较，图4(c)显示了单层SQUID 2的电压电流曲线IVCs，在第1天和350天后测量去电学性能。很明显，由于持续在空气中恶化，350天后没有检测到临界电流。实际上，我们测量了几个单层SQUIDs，没有一个在350天后显示出有限的临界电流。因此，在某种程度上STO层起着钝化层的效果，能够提高器件的时间稳定性。
[0023]接下来测试高温超导纳米量子干涉器件的性能随时间的依赖关系。图5显示了在不同时间t(从t＝1到213天)记录的临界电流I
c
与I
mod
的关系。很明显，临界电流在39天后从287微安下降到200微安，下降了30％。此后，临界电流几乎保持稳定，相比于单层的器件，这再次证明了我们设计的多层高温超导纳米量子干涉器件的时间稳定性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高稳定性的多层高温超导纳米量子干涉器件制备方法，其特征是：(1)通过脉冲激光沉积在具有24
°
晶界角的STO双晶衬底上，外延生长出厚度为30纳米的C轴导向的YBCO薄膜；(2)在相同的沉积参数下，沉积3纳米的STO薄膜；(3)继续上述过程，直到形成120纳米的YBCO薄膜，在YBCO薄膜之间有三个层间STO；(4)原...

【专利技术属性】
技术研发人员：林建新，秦晟昊，史泽俊，赵连君，王琪旻，张德恒，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：