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无论在核磁共振成像技术、加速器技术等超导强电应用方面还是滤波器、约瑟夫森器件等超导弱电应用方面,MgB2都展现了巨大的潜力。作为MgB2超导电子器件实现的基础,MgB2薄膜的制备是首要的课题。
本文中我们分别用脉冲激光沉积(PLD)原位退火法和电子束蒸发Mg/B多层膜退火法制备了MgB2薄膜,研究了制备条件对于MgB2薄膜性质的影响,并特别分析了较薄MgB2薄膜(厚度为50nm以下)的性质。
PLD法制备的MgB2薄膜超导转变温度Tc~35K,表面粗糙度(RMS值)为64nm左右。薄膜制备中,在前驱镁硼混合层上覆盖一定厚度的Mg层,620℃原位退火的情况下,较理想的退火时间是6~13min。
电子束蒸发Mg/B多层膜退火法制备的MgB2薄膜Tc为35K左右,表面RMS值为16nm,薄膜制备的重复性高。我们在实验上较系统地研究了Mg/B多层膜退火法中制备条件对MgB2超导薄膜性质的影响,其中包括退火温度、退火时间、退火结束后的降温速度等关键工艺参数,得到了一定厚度下的最佳工艺参数区间。我们发现,厚度为250nm的Mg/B多层膜750℃下退火20-30min实现最佳Tc,退火后室温下快速降温制备的MgB2薄膜有较高的临界电流密度。
我们还进一步探索了膜厚和前驱膜的不同分层厚度对制备MgB2薄膜的影响,研究了厚度为50nm以下的薄膜性质。前驱膜分层厚度相同时,随着薄膜厚度减小,MgB2薄膜Tc明显降低,而且较薄的膜Tc受退火温度影响更加明显。通过减小Mg/B多层膜分层厚度,我们在Al2O3(0001)衬底上生长的厚度为20nm的薄膜在25.5K时电阻下降到零,而在晶格失配率更小的SiC衬底上制备的厚度为15nm的MgB2薄膜在17.7K可以实现超导转变。