补充资料：低温超导薄膜

低温超导薄膜
low critical temperature superconducting thin film

低温超导薄膜low eritieal temPerature Super·eonduetil堪thin film厚度小于1月nl的低温超导材料。是一种实用超导薄膜。在高温超导体发现以前，低温超导薄膜是制作超导电子器件的主要薄膜材料。高温超导体发现之后，由于低温超导薄膜在均匀性、一致性及隧道结制备和集成电路工艺方面所具有的优势，它在超导器件中仍占重要地位。低温超导薄膜的热噪声低，它制作的器件灵敏度高，为高温超导薄膜器件所不及。 低温超导薄膜主要有低熔点超导薄膜、高熔点超导薄膜和化合物超导薄膜3类。 低熔点超导薄膜以铅(Pb)、锢(In)、锡(Sn)、铝(AI)等低熔点金属及其合金Pb一In、In一Sn、Pb一Sb等制作的低温超导薄膜。这些材料的蒸发温度低，在普通的高真空设备(真空度在10--”一10巧Pa)中，用电阻加热蒸发即可将其制备成薄膜。早期的超导电子器件均以这些薄膜为基础。低熔点超导薄膜器件的研究奠定了现代超导电子学基础。低熔点超导薄膜因其化学稳定性和热稳定性低，逐渐为另两类薄膜所取代。 高熔点超导薄膜难熔金属及其合金制作的超导薄膜。由于熔点高，不能用简单的电阻加热法制备，而需要采用电子束蒸发法、溅射法或化学气相沉积法(CVD)制备。高熔点超导薄膜的化学稳定性及热稳定性高，临界温度Tc也高于低熔点超导薄膜，是制备超导电子器件的更好材料。在制备工艺发展成熟后，高熔点超导薄膜就取代了低熔点超导薄膜。 锭(Nb)超导薄膜在高熔点超导薄膜中占有重要地位。Nb是Tc最高的元素超导体，Tc二9.2K。Nb的Tc虽然比一些合金超导体略低，但差别不大，而制备工艺却简单得多，既没有组分控制问题，也不存在成分不均匀问题。Nb膜的Tc对氧杂质很敏感，氧含量增加lat%，7飞下降IK。在超高真空条件下(氧分压<10一6Pa)，才能制备出优良的Nb薄膜。提高薄膜淀积速率，对基片进行加热，在溅射法制备薄膜时提高溅射电压等，都可降低薄膜内氧的含量，提高Nb薄膜质量。基片温度高于300℃时，比较容易获得Tc为9 .2K的优良Nb膜。新制备的Nb薄膜，表面很容易吸附氧气，给制备器件的后续工艺带来不利影响。为此，应尽可能提高系统的本底真空，并尽量缩短各工艺步骤间的时间间隔。Nb膜及器件的制备工艺已经相当成熟，已可制备相当复杂的超导器件。化合物超导薄膜低温超导化合物种类繁多，具有重要实用价值的是B一1型化合物薄膜和A一15化合物薄膜。前者的典型是NbN，后者的典型是Nb 3 Sn和Nb3Ge。 ①NbN薄膜:典型的B一1型化合物(见B一1超导体)。其Tc为17.3K，Hc为43T，热稳定性和化学稳定性高且抗中子辐照，是优良的超导薄膜材料。在氢(Ar)与氮(NZ)混合气体中进行反应溅射，在温度为350一600oC的石英、熔凝石英、蓝宝石以及碳纤维上，可获得性能良好的NbN薄膜。NbN薄膜的临界电流密度Jc(4.2K、20T)高达Zxl06A/emZ。已用NbN超导薄膜制作出高度稳定的超导量子干涉器器件。制备NbN的基片温度较低，工艺条件也不像A一巧化合物那样严格。 ②Nb3Sn薄膜:Sn的含量在18一25at%时，Nb-Sn体系就可形成A一巧结构化合物，Tc在17一18K。Nb3Sn薄膜的制备较容易，电子束共蒸发法、溅射法与CVD法都可制备出良好的Nb3Sn薄膜。用A1203陶瓷片、镍基合金与蓝宝石作为基片，温度在720一900oC可制得Tc在17一18K的Nb3Sn薄膜。在镍基合金带上，用CVD法可制备长度超过1000m的Nb3Sn超导带。这种方法曾经取代粉末冶金法生产Nb3Sn带材，后来又被效果更好的青铜法和扩散法所取代。Nb3Sn薄膜的热稳定性和机械强度不如NbN，而临界温度又低于后来发现的Nb3Ge(Tc为23K)，因而逐渐被NbN与Nb3Ge所取代。 ③Nb3Ge薄膜:Nb3Ge的临界温度为23K，直到1986年高温超导体发现之前，它保持Tc最高记录达13年之久。在热平衡状态下，A一15结构的Nb3Ge只存在于锗(Ge)含量在18一20at%的狭窄范围内，Ge含量显著地低于化学计量比25at%，其临界温度只有6K。将Nb3Ge制备成薄膜，可使Ge含量提高，Tc达到23K。用溅射法比较容易制备出Tc高的NbaGe薄膜。制备的典型条件为:直流溅射，溅射电压750V，Ar气压强尸为40Pa，基片与靶间距离d为2.scm，基片为石英、蓝宝石、担(Ta)和钨(W)等耐高温材料，温度在700一900℃，所得到的Nb3Ge薄膜的Tc达21.5K，上临界磁场HcZ为37T。在溅射过程中，需要保持尸·d)50 Pa·cm，以使Nb、Ge粒子在到达基片前充分与Ar原子碰撞，失去过多的动能，以较小的速度落到基片上，避免动能过大时对薄膜所产生的破坏作用。用电子束共蒸发法与CVD法也可制备出优良的Nb3Ge薄膜。已用NbaGe薄膜制成约瑟夫森器件。制备Nb3Ge薄膜的方法也可用于制备其他的A一巧化合物薄膜，如Nb3AI，Nb3Si，Nb3(AI，Ge)等薄膜。 (牵穷成)

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