基于MgB2超导薄膜的微桥制备技术研究

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超导约瑟夫森结在未来先进医疗技术(SQUID心磁仪,新型MRI技术)和国防(SQUID探潜等)等多个领域具有广阔的应用前景。目前约瑟夫森结主要采用光刻和离子刻蚀相结合的工艺制备,在整个制备过程中,超导薄膜和微桥不可避免地会与液体、水气等接触,这些接触将会使薄膜的超导性能变差甚至失超,影响微桥的超导性能。为了弥补传统制备工艺的不足,本论文提出了一种新的MgB2超导微桥的制备方法,即采用聚焦离子束直接刻蚀的方法在MgB2超导薄膜上制备微桥,通过工艺探索、实验测量、理论分析以及模拟仿真等手段,对采用此方法制备的微桥的电输运特性的影响进行了深入的研究。  首先,本文对聚集离子束刻蚀制备MgB2微桥的可行性进行了研究分析。聚焦离子束刻蚀技术是目前能够产生亚微米、纳米量级尺寸原始图形仅有的两种方法之一(另一为电子束曝光技术)。将聚焦离子束刻蚀技术和图形发生器相结合,在计算机的控制下进行离子束直写即可实现多种亚微米、纳米量级尺寸图形的制备,刻蚀出所需尺寸的微桥结构。本研究小组采用聚焦离子束刻蚀技术已经成功制备出了多种微结构。因此,从理论和实际上讲,采用聚集离子束刻蚀制备MgB2微桥是可行的。  其次,研究了刻蚀工艺参数的选择方法以及不同刻蚀参数对MgB2薄膜和微桥超导性能的影响规律。为了制备出整个MgB2微桥,需刻蚀出300×800um2的外边框及桥臂,测量发现,采用实心矩形图形刻蚀制备的10um宽的微桥不具备超导特征。观察SEM图像发现,在实心矩形刻蚀沟道两侧数微米的范围内出现了较明显的裂痕和孔洞。这是由于在刻蚀过程中较大剂量的Ga离子注入MgB2薄膜引起薄膜损伤造成的,桥区薄膜受损范围达10um以上。而改用小束流、纳米线条图形进行刻蚀可以降低薄膜的损伤程度,10um宽的微桥具备超导特征,但是超导性能较差。  最后,对刻蚀工艺进行了优化。本文针对离子束刻蚀过程中MgB2薄膜的损伤问题,采用了薄膜表面镀金的方法,通过覆盖一层金薄膜后再制备微桥,测量发现微桥具备较好超导特征,与未镀金的部分作对比,可以得到薄膜表面镀金可以有效抑制刻蚀过程中Ga离子的植入,降低对薄膜的损伤程度。同时,通过SRIM软件对离子注入薄膜的动态过程和离子分布进行模拟分析,同样得出镀金可以有效阻止Ga离子的注入,保护薄膜。
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