一种电子束退火制备二硼化镁超导约瑟夫森结的方法，该方法采用电子束在真空中对夹层式二硼化镁约瑟夫森结先驱膜进行退火。所述的夹层式二硼化镁约瑟夫森结先驱膜为[Mg/B]-X-[Mg/B]，X代表标准导体层N或绝缘层I，在秒数量级的退火时间内使先驱膜中的镁、硼单质发生化学反应，最终生成MgB2-X-MgB2结构的SNS型或SIS二硼化镁超导约瑟夫森结。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超导薄膜约瑟夫森结的制备方法，特别涉及一种采用电子束快速退火制备超导薄膜约瑟夫森结的MgB2-X-MgB2结构的SNS型或SIS型二硼化镁超导约瑟夫森结的方法，其中X代表标准导体层N或绝缘层I。
技术介绍
Jos印hone (约瑟夫森)结是超导弱电应用的关键，自从2001年1月日本Akimitsu 等人发现的临界转变温度为39K的二硼化镁超导体(Nature 410(2001)63)以来，各国科学家对其约瑟夫森结的制备产生了很大的兴趣，积极探索各种方法制备高质量18化超导约瑟夫森结。MgB2具备较高的临界转变温度Tc，简单的结构，对传输电流透明的晶粒间界，弱的各向异性和较长的相干长度(ξ ab(0) = 3. 7 12nm)。由于其临界温度远高于常规超导体，相干长度和载流子浓度都比高温氧化物超导体有数量级的提高，因此，使得MgB2成为制备约瑟夫森结较为理想的超导材料。当前制备二硼化镁超导约瑟夫森结一般采用先在衬底上制备出底层二硼化镁超导薄膜，然后在其上沉积势垒层，再在势垒层上沉积并制备出顶层二硼化镁超导薄膜，最终实现三明治型二硼化镁超导约瑟夫森结的制备。在制备过程中，由于超导薄膜的成膜温度一般高于500°C，并且所需退火时间皆在数分钟到十几分钟以上，因而在制备约瑟夫森结的整个退火过程中很难避免势垒层与超导层之间的扩散，退火时间越长则扩散越严重，从而破坏隧道结的形成，使超导隧道结的制备面临很大的困难。因此如果能够在保证Mg、B充分发生化学反应生成MgB2的基础上大幅度减小超导薄膜的退火时间，则会相对减少势垒层与超导层之间的扩散，将会制备出更高质量的二硼化镁超导约瑟夫森结。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的缺点，提出一种采用电子束快速退火制备二硼化镁超导约瑟夫森结的方法。本专利技术的退火时间为秒数量级，能够有效避免势垒层与超导层之间的扩散，制备出超导层/势垒层界面清晰的约瑟夫森结。本专利技术方法如下将制备好的夹层式二硼化镁约瑟夫森结先驱膜放置于电子束退火设备中，调整电子束加速电压、束流和束斑直径，调整退火时间，进行快速退火，制备出MgB2-X-MgB2结构的 SNS型或SIS型二硼化镁超导约瑟夫森结，X代表标准导体层N或绝缘层I。MgB2超导约瑟夫森结。本专利技术使用的夹层式(或称三明治型)二硼化镁约瑟夫森结先驱膜结构为-X-。-X-先驱膜的制备方法为在衬底上先沉积出底层先驱膜，然后在其上沉积势垒层X，再在势垒层X上沉积顶层先驱膜。X为标准导体层N或绝缘层I，X层厚度依据不同的势垒层材料来确定。先驱膜为M多层膜，此结构式中，方括号中的内容表示先驱膜的每一周期结构由厚度为12nm的Mg层和厚度为8nm的B层组成，即在衬底上沉积第一层Mg(12nm)，再沉积第二层B (Snm)，每一周期结构的厚度为20nm ；M为周期结构的周期数，为正整数，其值取决于所需膜厚，例如若先驱膜厚度为20nm，则M的取值为1 ；若先驱膜厚度为lOOOOnm，则 M的值取500，以此类推。先驱膜也可以为周期结构MS层膜。本专利技术方法的具体步骤如下1、将与所述的夹层式二硼化镁约瑟夫森结先驱膜的衬底的材料相同、尺寸大小相同的裸衬底放入到电子束加工设备样品室中的可移动工件台上，所述的裸衬底为没有沉积薄膜的衬底。关闭样品室并启动真空泵，当样品室内的真空度高于1. OX 10-2 时，继续下一步骤的操作。2、选择电子束加速电压U 加速电压U可以在不高于40kV范围内任意选择，但前提条件是被该电压加速后的电子在夹层式二硼化镁约瑟夫森结先驱膜中的有效穿透深度R 必须不小于先驱膜厚度h，有效穿透深度R的值可使用下列公式进行估算，其中加速电压U 的单位为kV，R的单位为nm。R = (^)XU1-753、利用裸衬底进行电子束退火条件的摸索，即找到合适的束斑、束流和退火时间。 选择电子束束流I和电子束束斑尺寸φ 电子束束流I和束斑直径Φ应相结合进行调整， 使用尽可能小的束流来获得尽可能大的束斑尺寸，选择的原则是能在工件上看清所述束斑，束斑的大小以完全覆盖或尽可能多地覆盖裸衬底为宜。4、确定退火时间按照步骤2和步骤3选定的数值设定电子束加工设备的加速电压、束流和束斑，由电子束加工设备的移动工件台将所述裸衬底移动到电子束束斑正下方位置，启动电子束进行退火，记录裸衬底出现微红和桔红色时的辐照时间tl和t2，则退火时间t选择为tl彡t彡t2。5、先驱膜退火加速电压、束流、束斑和退火时间确定后，从样品室中取出裸衬底， 在样品室中放置裸衬底的位置放上二硼化镁超导约瑟夫森结先驱膜，用电子束照射所述的二硼化镁超导约瑟夫森结先驱膜，照射时间为t，退火完成后，生成MgB2超导约瑟夫森结。6、若所述的夹层式二硼化镁约瑟夫森结先驱膜尺寸大于所述的束斑尺寸，则待被束斑覆盖的先驱膜退火后，移动工件台，使所述的先驱膜未被束斑覆盖的部分移动到束斑正下方，被电子束覆盖进行退火，直至整个先驱膜被退火生成MgB2超导约瑟夫森结。本专利技术退火工艺可以在电子束焊接机、电子束退火机、电子束曝光机等电子束加工设备中完成。本专利技术与现有技术相比具有以下优点1、退火时间短退火时间为秒数量级，可以有效减小势垒层与超导层之间的扩散。2、退火效率高本专利技术制备二硼化镁约瑟夫森结可以在秒数量级的退火时间内完成，快速高效。有利于高质量二硼化镁超导约瑟夫森结的制备，降低制备成本。3、升降温速度快升降温速率可以高达IO8 109°C /s，从而在薄膜中形成特定的加热、冷却过程。4、电热转化效率高达90%以上，远高于激光10%的光热转化效率，环保、低碳。 附图说明附图1为选用不同电子束加速电压、不同束流和不同退火时间等得到的二硼化镁超导约瑟夫森结在1 温度下的直流I V曲线，退火过程中样品室真空为3.0X10_3Pa。具体实施例方式实施例一电子束退火在自制EBW-6型电子束焊接机上进行。先驱膜结构为6-B(8nm)-5，先驱膜厚沘3歷，先驱膜尺寸为 10. OmmX 3. 0mm，衬底为 SiC01、将尺寸与所述的先驱膜大小相同的裸衬底SiC放置电子束加工设备样品室中的可移动工件台上，当样品室真空度高于1. OX 10-2 时，继续如下操作。2、按照所述的步骤2中的公式求出被IOkV电压加速后的电子在先驱膜中的有效穿透深度R = 1306nm，大于本次样品薄膜的厚度^3nm，故选择电子束加速电压U = IOkV03、选择束流I和束斑尺寸Φ 加载加速电压U = 10kV，调整电子束束流I，同时调整束斑直径Φ，当束流I = 3. 5mA、Φ = 3. Imm时，电子束束斑清晰可见并能够完全覆盖先驱膜的宽度范围。故选择I = 3. 5mA、Φ = 3. 1mm。4、确定退火时间设置U = lOkV.I = 3. 5mA、Φ = 3. 1mm,由移动工件台将裸衬底移动到束斑正下方位置进行退火，当退火时间约为0. 2s和0. 4s时，裸衬底分别呈现微红和桔红色。据此选定退火时间t = 0. 3s。5、将先驱膜放置到电子束焊接机样品室中的可移动工件台上，设置U = IOkV ,1 = 3. 5mA、Φ = 3. 1mm。由于先驱膜的长度10. Omm大于束斑直径3. Imm,因此使移动工件台移动，使先驱膜沿其长度本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种电子束退火制备二硼化镁超导约瑟夫森结的方法，其特征在于：所述的制备方法为：在电子束加工设备的真空样品室内采用电子束对夹层式二硼化镁约瑟夫森结先驱膜进行退火，所述的夹层式二硼化镁约瑟夫森结先驱膜为［Ｍｇ／Ｂ］－Ｘ－［Ｍｇ／Ｂ］，Ｘ代表标准导体层Ｎ或绝缘层Ｉ，在秒数量级的退火时间内使先驱膜中的镁、硼单质发生化学反应，最终生成ＭｇＢ２－Ｘ－ＭｇＢ２结构的ＳＮＳ型或ＳＩＳ型二硼化镁超导约瑟夫森结。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孔祥东，韩立，初明璋，薛虹，李建国，林云生，方光荣，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11
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