一种超导约瑟夫森探针的制备方法技术

本发明专利技术公开一种超导约瑟夫森探针的制备方法，对带凹槽的石英毛细管进行表面处理；激光熔融拉制带槽石英纳米针尖；采用直流磁控溅射对带槽石英纳米针尖左侧和右侧分别进行超导薄膜的蒸镀，获得探针的左电极和右电极；采用直流磁控溅射正对纳米针尖顶部进行超导薄膜的蒸镀，形成两个并联的微桥型超导约瑟夫森结，完成超导约瑟夫森探针的制备。本发明专利技术有效解决了电子束蒸发难以制备高熔点超导材料如铌/氮化铌基约瑟夫森探针的问题，突破了直流磁控溅射制备约瑟夫森探针方向性差的限制，有效降低了直流磁控溅射制备约瑟夫森探针的难度，有效扩展了可用于制备超导约瑟夫森探针的超导薄膜种类，有效提高了约瑟夫森探针在高频检测方面的性能。检测方面的性能。检测方面的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种超导约瑟夫森探针的制备方法


[0001]本专利技术属于超导扫描探针显微镜领域
，具体涉及一种用于超导约瑟夫森探针显微镜的超导约瑟夫森探针的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，信息科学中的电子学领域取得了长足的进步和飞速的发展，随之而来的是电子学器件不断的微型化和高度集成化，这使得其中的量子效应和近场效应对研究对象的影响越来越显著，基于经典理论的分析方法和设计思想越发难以奏效。而上述效应所表现出的强烈的频率、相位相关性，使得电子学研究的进一步深入需要在更小的空间尺度上对器件辐射场信息进行更为全面的观测。
[0003]约瑟夫森凭借预言的约瑟夫森效应获得了1973年的诺贝尔物理学奖。由于约瑟夫森结超导电流对外部电磁场异常敏感，其在高频电磁场辐射的检测方面极具优势。在太赫兹波的高灵敏相干检测中，超导隧道结(SIS)混频器和超导热电子(HEB)混频器分别是1THz以下及以上灵敏度最高的太赫兹探测器，广泛应用于高空探测气球和天文望远镜等。虽然约瑟夫森结在深空电磁波探测方面已经表现出优异的性能，但是利用其对微纳尺寸样品的辐射场进行近场探测的研究在国际上还未展开。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题：提出一种采用激光拉针技术和直流磁控溅射技术将两个呈并联关系的微桥型超导约瑟夫森结制备在一个石英纳米针尖上的超导约瑟夫森探针的制备方法。
[0005]技术方案：为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种超导约瑟夫森探针的制备方法，使用直流磁控溅射技术，在带有凹槽的纳米尺度石英针尖上生长超导材料，通过三次不同角度的超导薄膜材料沉积，在针尖的最尖端直接形成约瑟夫森结，即可得到超导约瑟夫森纳米探针。包括以下步骤：
[0007]步骤1：对带凹槽的石英毛细管进行表面处理；
[0008]步骤2：激光熔融拉制带槽石英纳米针尖；
[0009]步骤3：采用直流磁控溅射对带槽石英纳米针尖左侧和右侧分别进行超导薄膜的蒸镀，获得探针的左电极和右电极；
[0010]步骤4：采用直流磁控溅射正对纳米针尖顶部进行超导薄膜的蒸镀，形成两个并联的微桥型超导约瑟夫森结，完成超导约瑟夫森探针的制备。
[0011]进一步地，步骤1中，所述带凹槽的石英毛细管为圆周上等距分布四个凹槽的石英毛细管。
[0012]进一步地，步骤1中，对带凹槽的石英毛细管进行表面处理包括超声清洗、吹干和烘烤。
[0013]进一步地，步骤2中，将带凹槽的石英毛细管横穿过拉针仪的激光熔融加热区，并
利用拉杆固定两端，激光局部加热熔融石英毛细管的同时左右两侧拉杆快速将石英管拉断，每次拉制获得两根石英纳米针尖。
[0014]进一步地，针尖顶部的直径通常在100
‑
200nm之间，针尖顶部形状和一种超导约瑟夫森探针的制备方法，未拉制时截面保持一致。
[0015]进一步地，步骤3中，采用直流磁控溅射的方法将超导薄膜蒸镀在石英纳米针尖的右侧，蒸镀过程中磁控溅射靶枪保持竖直向上，将纳米针尖的右侧面向靶枪，针尖朝上倾斜30
°
，进行蒸镀。
[0016]进一步地，蒸镀探针的左电极需要将已经镀有右电极的探针绕其轴向旋转180
°
，此时探针的左侧面向磁控溅射靶枪，探针的右侧电极此时背对靶枪，实现对左电极的蒸镀。
[0017]进一步地，步骤4中，针尖超导薄膜的蒸镀：旋转针尖改变探针针尖的朝向，使得探针的针尖顶部正对磁控溅射靶枪，蒸镀的过程中探针沿轴向旋转。
[0018]进一步地，超导薄膜为铌膜、氮化铌膜、铝膜或者铅膜。
[0019]进一步地，步骤3和4中，磁控溅射蒸镀超导铌膜时采用高纯铌靶材，在真空环境中，溅射过程中通入高纯氩气，蒸镀氮化铌膜时仍然采用高纯铌靶，溅射过程中通入高纯氩气和氮气的混合气体。
[0020]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0021]1)本专利技术采用激光拉针技术将带凹槽的石英毛细管熔融拉制成带槽石英纳米针尖，继而使用直流磁控溅射技术，在带有凹槽的纳米尺度石英针尖上生长超导材料，通过三次不同角度的超导薄膜材料沉积，在针尖的最尖端直接形成约瑟夫森结，即可得到超导约瑟夫森纳米探针。
[0022]2)本专利技术采用带凹槽的石英纳米针尖结合直流磁控溅射的镀膜方式制备超导约瑟夫森探针，有效解决了电子束蒸发难以制备高熔点超导材料如铌/氮化铌基约瑟夫森探针的问题，突破了直流磁控溅射制备约瑟夫森探针时方向性差的限制，有效降低了直流磁控溅射制备约瑟夫森探针的难度，有效扩展了可用于制备超导约瑟夫森探针的超导薄膜种类，有效提高了约瑟夫森探针高频检测的性能。
[0023]3)本专利技术将两个呈并联关系的微桥型超导约瑟夫森结制备在一个石英纳米针尖上，针尖上的约瑟夫森结尺寸仅数十纳米。超导约瑟夫森探针将约瑟夫森结检测电磁波灵敏的特性和纳米探针高空间分辨的能力结合起来，可作为超导约瑟夫森探针显微镜的核心部件，在集成电路、微波太赫兹器件的近场电磁波幅值及频率检测方面发挥重要的作用。
附图说明
[0024]图1是带凹槽的石英毛细管结构示意图；
[0025]图2是激光熔融拉制带槽石英纳米针尖过程结构示意图；
[0026]图3是超导薄膜的蒸镀获得探针的右电极结构示意图；
[0027]图4是超导薄膜的蒸镀获得探针的左电极结构示意图；
[0028]图5是针尖超导薄膜的蒸镀结构示意图。
具体实施方式
[0029]下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，实施例在以本专利技术技术方案为前提下
进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。
[0030]本实施例的一种超导约瑟夫森探针的制备方法，包括以下步骤：
[0031]步骤1：带凹槽的石英毛细管表面处理；
[0032]选择一支圆周上等距分布多个凹槽2的石英毛细管1，凹槽的数量为2个或者4个；随后使用酒精、丙酮试剂，采用超声、气枪和烘台对其表面进行清洁处理，带凹槽2的石英毛细管1具体尺寸为：内径0.4mm，外径1.2mm，长度为50mm，圆周上等间隔分布有四个尺寸为0.1*0.25mm2的凹槽2，本实施例使用的是方形的凹槽2(或者其他的形状也可以拉制成型，但是其他形状不一定可以使得两边电极形成良好的断开，所以不一定适用于探针的制备，因此优选方形凹槽)，其结构如图1所示。
[0033]石英毛细管1的清洗步骤是：将带槽的石英毛细管1依次浸泡在丙酮、酒精和去离子水中100W超声清洗各3分钟，随后用氮气枪将石英管外壁和内壁充分吹干，并在95℃烘台上烘烤5分钟。
[0034]步骤2：激光熔融拉制带槽石英纳米针尖；
[0035]上一步骤使用激光熔融拉针技术将带槽石英毛细管1拉制成圆周带有等间距分布四个凹槽2的纳米针尖，本步骤中，将带凹槽2的石英毛细管1横穿过拉针仪的激光熔融加热区，石英管的两端分别嵌入左右两侧拉杆3的V型槽中，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超导约瑟夫森探针的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：对带凹槽的石英毛细管进行表面处理；步骤2：激光熔融拉制带槽石英纳米针尖；步骤3：采用直流磁控溅射对带槽石英纳米针尖左侧和右侧分别进行超导薄膜的蒸镀，获得探针的左电极和右电极；步骤4：采用直流磁控溅射正对纳米针尖顶部进行超导薄膜的蒸镀，形成两个并联的微桥型超导约瑟夫森结，完成超导约瑟夫森探针的制备。2.根据权利要求1所述的超导约瑟夫森探针的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述带凹槽的石英毛细管为圆周上等距分布四个凹槽的石英毛细管。3.根据权利要求1所述的超导约瑟夫森探针的制备方法，其特征在于：步骤1中，对带凹槽的石英毛细管进行表面处理，包括超声清洗、吹干和烘烤。4.根据权利要求1所述的超导约瑟夫森探针的制备方法，其特征在于：步骤2中，将带凹槽的石英毛细管横穿过拉针仪的激光熔融加热区，并利用拉杆固定两端，激光局部加热熔融石英毛细管的同时左右两侧拉杆快速将石英管拉断，每次拉制获得两根石英纳米针尖。5.根据权利要求4所述的超导约瑟夫森探针的制备方法，其特征在于：针尖顶部的直径在100
‑
200nm之间，针尖顶部形状和石英毛细管未拉制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华兵，张平，吕阳阳，魏子涵，侯守成，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：