利用磁控溅射原位制备外延Y1Ba2Cu3O7-δ薄膜的研究

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Y1Ba2Cu3O7-δ(YBCO)作为目前最接近实用化的高温超导体材料,对其薄膜形式的研究一直是科研界的研究热点。La0.5Ba0.5CoO3(LBCO)是最近被人们广泛关注的Co基钙钛矿结构的新兴功能材料。LBCO具有低温(100-150K)铁磁性和巨磁电阻效应,LBCO/YBCO薄膜有可能制成新型的铁磁/超导异质结器件。这为未来数据存储设备、医疗器械等的发展会提供更为广阔的前景。  本文采用反应射频磁控溅射的方法,在MgO(100)基片上,原位外延生长了YBCO薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)等表征技术,分析了溅射功率和气压以及LBCO缓冲层对YBCO薄膜生长的影响。本实验使用未经改造的(on-aixs)磁控溅射设备,在较低气压和较低磁控溅射入射功率条件下制备c轴外延单晶YBCO薄膜。具体研究结果如下:  1.寻找到磁控溅射制备复杂氧化物薄膜的各可控条件的合适参数。如设备构型、溅射功率、氧氩比、工作气压、温度等。其中主要将溅射功率与工作气压作为主要研究对象。通过研究发现溅射功率与工作气压的匹配是影响YBCO薄膜外延生长的重要参数。高溅射功率/高工作气压和低溅射功率/低工作气压组合,均能在MgO基片上直接外延生长出c轴取向的YBCO薄膜,但外延的YBCO薄膜不是完全的Cube-on-Cube形式的单晶薄膜。同时,直接在MgO基片生长的YBCO薄膜具有比较粗糙的表面形貌。  2.通过引入LBCO缓冲层,制备出c轴外延的YBCO薄膜单晶薄膜,同时改善了YBCO薄膜结晶质量。通过样品Φ扫描结果中只存在四次对称结果,说明只存在Cube-on-cube生长的一种晶粒。同时就证明引入LBCO缓冲层后所生长的YBCO薄膜是单晶薄膜。通过YBCO薄膜耦合扫描各峰均有不同程度增强(相同生长条件下增强7倍左右)、半峰宽变锐(由0.22°减小到0.16°)以及摇摆曲线半峰宽变窄(由1.9°变为0.83°)等数据结果中证实了薄膜结晶质量有显著改善。  3.通过引入LBCO缓冲层,制备的YBCO薄膜表面粗糙度大幅度降低。相同条件下薄膜表面面粗糙度RMS由10.5nm降低到1.98nm左右,此薄膜可以认为是一种原子级光滑的单晶薄膜。从原子力图像中同样能观察到晶粒尺寸变小。面粗糙度变小的YBCO薄膜将更容易在器件制备中得到应用。
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