铌基超薄薄膜的制备、优化与表征

【摘要】超导热电子测辐射热计(hotelectronbolometer,HEB)与超导纳米线单光子探测器(superconductingnanowiresingle-photondetector,SNSPD)均基于超导纳米线条中的热电子效应,分别对太赫兹(THz)和红外到可见光频段信号进行高灵敏检测。由于超导热电子器件优异的检测灵敏度,已被广泛应用于天文、遥感、成像、量子通讯等前沿技术的研究及应用中。本文根据超导热电子器件的特点及应用需要,使用磁控溅射技术,在氧化镁(MgO)、高阻硅(Si)、氧化硅／硅(SiOx/Si)、蓝宝石(A1203)等多种衬底上,研究制备了纳米厚度的铌基超导超薄薄膜,即氮化铌(NbN)、铌钛氮(NbTiN)、铌钛(NbTi)及特殊掺杂的铌(Nb*)超薄薄膜。并利用原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等现代技术手段,研究分析了铌基超导超薄薄膜的表面和界面性能、化学元素配比、晶格结构等特性。已制备出多种高质量的超导薄膜,并将其应用到具有高灵敏特性的超导热电子探测器的研究制备上,并取得了很好的研究结果。取得的主要研究成果有：1.创新的利用六氮五铌薄膜做为缓冲层,大幅提升了Si衬底上氮化铌薄膜的超导电性,在薄膜厚度小于10nm情况下,与没有缓冲层的氮化铌薄膜相比,具有六氮五铌缓冲层的氮化铌薄膜,其超导转变温度可以提升5-8K,超导临界电流密度提升1个数量级。30nm六氮五铌薄膜缓冲层上,6nm氮化铌薄膜的超导转变温度可高达13.5K,临界电流密度达1.36×107A/cm2,高于MgO衬底上的氮化铌薄膜的超导性能,是目前报道的最好结果。2.分析研究了六氮五铌缓冲层提升氮化铌薄膜超导性能的主要因素,提出薄膜中应力分配调节超导性能的模型,并利用XRD、TEM等多种分析手段证明了这一模型。这为进一步提升超导薄膜性能,优化HEB和SNSPD器件特性打下了技术基础。3.利用硅衬底上旋涂聚酰亚胺,发展了一种可控衬底厚度的柔性超导薄膜制备方法。在聚酰亚胺柔性衬底上,制备的10nmNbN薄膜,超导转变温度可达8.3K,30nm薄膜在9T磁场下,超导转变温度仍能达到7K。这种柔性超导薄膜在多层太赫兹超材料器件、磁隐身斗篷、磁屏蔽等方面将有潜在的应用前景。4.利用47%钛含量的铌钛靶,使用磁控溅射法,在多种衬底上制备了高含钛的铌钛氮薄膜。MgO衬底上8nm薄膜超导转变温度为8.7K,4.2K时的超导临界电流密度7.5×106A/cm2。钛含量的增加,改善了薄膜与衬底晶格的失配,从而使薄膜质量有了进一步提升。且薄膜的电阻率比常规铌钛氮和氮化铌薄膜的电阻率要降低50%以上,这些性能为制备速度高、暗计数低的超导单光子探测器提供了一种可能途径。5.研究制备了特殊掺杂的超导铌(Nb*)薄膜,并利用1nm厚度的氮化铝做为Nb*薄膜的保护层,有效防止了Nb*薄膜与环境中氧元素的反应导致的超导性能退化。测量结果表明,厚度为6.5nnm的Nb*薄膜超导转变温度可达7.45K,临界电流密度达8.15撑106A/cm2,远高于同等厚度的普通纯铌薄膜的超导性能。6.利用研究制备的铌基超导超薄薄膜,制备了超导HEB器件,并表征了器件的超导电性和对太赫兹信号的检测性能。
【作者】贾小氢；
【导师】吴培亨；康琳；
【作者基本信息】南京大学，无线电物理，2014，博士
【关键词】超薄薄膜；磁控溅射；氮化铌；铌钛氮；掺杂铌；薄膜表征；超导热电子探测器；

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