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NbN是一种最常用的低温超导材料,与其他低温超导材料相比,具有超导转变温度高、能隙电压高、制备工艺成熟等优势和特点。制备NbN的目的是用于制备NbN/AIN/NbN SIS超导隧道结和基于NbN薄膜的热电子器件,两者都可用于THz频段的应用。本文是对三年来研究工作的总结,内容主要包括三个方面:
1.NbN薄膜的制备和研究。使用直流磁控溅射方法,在单晶MgO衬底上制备出了单晶的NbN外延薄膜,并且技术已非常成熟。制备的NbN薄膜,其超导转变温度和转变宽度分别为16.3K和0.05K。对影响薄膜质量的一些因素做了细致的研究。
2.超薄NbN薄膜的制备和研究。经过对NbN薄膜制备工艺的认真研究和总结,在MgO和Si衬底上制备出了高质量的超薄NbN薄膜。尤其是NbN/MgO薄膜,在厚度仅为45A时,其超导转变温度和临界电流密度分别高达11.05K(50%电阻点)和3.3×1010A/m2(4.2K),都达到或超过了世界领先水平,为研究超导HEB混频器、超导单光子检测器等超薄薄膜器件奠定了基础。
3.Si衬底上缓冲层的制备和研究。由于NbN和Si的晶格失配很大,因此在Si衬底上制备一层缓冲层以降低晶格失配,达到能在Si衬底上制备出外延NbN薄膜的目标。使用射频磁控溅射方法,采用纯金属Mg靶,在较高气压的含O2气氛中和较高衬底温度条件下,国际上首次获得了晶格常数为8.11A的外延γ-Mg2SiO4薄膜。通过对该薄膜的生长机制做了细致的研究,认为是Si的氧化和MgO的形成既竞争又协作的过程。