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超薄超导材料作为准二维的超导材料,不仅是低维超导电性研究的重要对象,也是超导单光子探测器、超导热电子混频器等超导电子学器件制备的关键材料。Bi2Sr2CaCu2O8+χ(BSCCO)高温超导单晶具有非常强的各向异性,通过机械剥离的工艺可以获得仅含有几个到几十个、甚至只有一个原子层的超薄单晶。与超薄超导薄膜相比,超薄超导单晶缺陷较少,更有利于低维超导特性的研究和超导电子学原型器件的制备。本论文的主要工作是超薄高温超导BSCCO单晶的制备、物性表征以及原型器件(本征Josephson结)的制备研究,并探索利用聚焦离子束(FIB)技术制备基于超薄超导材料的单光子探测器件。主要的研究工作和结果包括:
1.利用机械剥离工艺成功地制备出了超薄高温超导BSCCO单晶。这些单晶的厚度从只含有数个到数百个原子层不等,平面尺寸大小一般为几十微米。
2.发现并研究了BSCCO超薄单晶的衬底调制现象。FIB截面结构的观测结果表明在台阶边缘处单晶与衬底之间有一个间隙,台阶结构使单晶局部发生了形变。
3.研究了不同厚度超薄BSCCO单晶的拉曼散射光谱,对超薄单晶的A1g(Bi)、A1g(Sr)和A1g(OBi)三个拉曼特征峰进行了具体分析。结果表明拉曼散射峰的位置随着超薄单晶厚度的增加向低频移动,这主要是由于激光功率的热效应引起。通过对拉曼散射强度的分析获得了BSCCO单晶的相对介电常数。
4.测试得到了不同厚度超薄BSCCO单晶的电阻温度曲线。随着单晶厚度的降低,超薄单晶的转变温度Tc也在降低,与大块单晶的Tc相比,15nm厚的超薄单晶的Tc降低了约14%。
5.基于超薄BSCCO单晶制备了本征Josephson结,得到了一致性较好的结特性。与大块单晶制备本征Josephson结相比,具有一定的应用优势。
6.利用FIB技术在超薄NbN薄膜和超薄BSCCO单晶上制备了纳米线条,最窄的线条宽可达30nm。结果表明FIB具有纳米尺度器件的加工能力,但是器件超导性能受到明显抑制,这可能和Ga离子的注入有关。