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--> --> -->近期国际上的研究表明, MgO衬底上的YBCO台阶结在THz探测器、特别是高灵敏度高温超导SQUID等器件研制方面具有重要的应用价值和前景. 澳大利亚Mitchell和Foley[16]报道MgO衬底上的YBCO台阶结可具有高的特征电压VC = ICRn, 其中IC为结的临界电流, Rn为结的正常态电阻. 利用这一特性, 澳大利亚Du等[6,17]研制了基于MgO衬底YBCO台阶结的THz探测器, 首次成功实现了液氮温度77 K下的高温超导THz成像. 德国莱布尼茨研究所Kaczmarek等[18]利用MgO衬底YBCO台阶结研制了用于地球物理研究的高温超导直流(direct current, DC) SQUID器件. 他们采用生长YBCO/STO/YBCO三层薄膜的方式以提高YBCO薄膜和台阶结的性能, 制备出的DC SQUID的磁场灵敏度白噪声段可达20 fT/Hz1/2. 德国尤利希研究中心Faley等[19]也利用MgO衬底YBCO台阶结对高温超导DC SQUID的制备进行了研究. 通过对台阶刻蚀工艺的控制, 并使用同样在MgO衬底上制备的YBCO磁通变换器, 制备出了77 K时磁场灵敏度约为4 fT/Hz1/2的高温超导DC SQUID, 与液氦温度4.2 K下工作的低温超导DC SQUID的磁场灵敏度处于同一量级水平. 该小组进一步利用研制的DC SQUID进行了脑磁信号的测量, 获得了与使用低温超导DC SQUID相似的信噪比, 展现了器件在脑磁图等弱磁测量方面的应用潜力.
在上述背景下, 本文对MgO衬底上YBCO台阶结的制备进行了探索和研究. 通过衬底刻蚀、薄膜生长等工艺制备了MgO衬底YBCO台阶结, 并对结的输运特性进行了测量. 利用研制的台阶结, 初步制备了高温超导射频(RF) SQUID, 并对器件的噪声性能进行了测试表征.
利用FEI Nova NanoSEM 430扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)对YBCO薄膜和MgO衬底台阶的形貌进行了考察, 利用Alpha-Step D-600探针轮廓仪对YBCO薄膜的厚度和MgO衬底台阶的高度等进行了测量. YBCO薄膜和台阶结的输运特性测量在液氮低温恒温器中完成. 利用Keithley 6221型电流源和2182A型纳伏表, 通过四引线法[20]测量了YBCO薄膜和台阶结的电阻-温度(R-T)转变曲线及伏安(V-I)特性曲线.
采用与之前文献报道类似的图形结构[11], 制备了包含MgO衬底YBCO台阶结的RF SQUID芯片, 并将其和超导谐振器[21]组合, 制备了YBCO RF SQUID器件. 结合读出电路, 采用磁通锁定环路(flux-locked loop, FLL)方式, 并利用Tektronix MDO3052示波器及Agilent 35670A动态信号分析仪等测试仪表, 对RF SQUID器件77 K时的工作特性进行了表征. 表征时器件放置在液氮杜瓦内, 杜瓦置于五层坡莫合金磁屏蔽筒内.
3.1.YBCO超导薄膜的表征
通过对PLD法薄膜生长参数的调节和优化, 在MgO (100)衬底上制备了表面形貌和超导特性良好的YBCO薄膜. 图1(a)显示了薄膜的SEM图像, 可以看到除了一些离散的、浅灰色条状小晶粒外, 薄膜表面致密均匀, 呈现出PLD法c轴外延生长YBCO薄膜的典型形貌[22]. 利用紫外曝光和湿法刻蚀, 在厚度为180 nm的YBCO薄膜上制备出宽度为9 μm、长度为200 μm的线条, 采用四引线法测得其R-T曲线和77 K时的V-I特性曲线, 分别如图1(b)和图1(c)所示. 从图1(b)可以看到, 在正常态薄膜的电阻率随温度线性变化, 在室温295 K时约为260 μΩ·cm, 与文献报道的YBCO单晶的结果接近[23]. 取超导转变中点的温度为超导转变温度TC, 超导转变10%—90%之间的间隔为超导转变宽度ΔTC, 则由图1(b)中的插图可知, 薄膜的TC = 88.2 K, ΔTC = 0.8 K. TC值高于德国莱布尼茨研究所Kaczmarek等[18]在MgO衬底上生长的单层YBCO薄膜的值(86 K), 与其生长的YBCO/STO/YBCO三层薄膜的值(88—90 K)相仿. 由图1(c), 取V-I曲线上电压从实验精度内的零值转变到1 μ时的电流为超导临界电流, 测得薄膜的超导临界电流密度JC为1.9 × 106 A/cm2, 达到文献报道的较好水平[22]. 上述结果显示, MgO衬底上生长的YBCO薄膜的超导特性与STO等衬底上生长的、用于约瑟夫森结或SQUID制备的YBCO薄膜的特性相似[1], 适用于后续台阶结的制备.![](https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2021/3/PIC/3-20201291-1_mini.jpg)
Figure1. Characterization of YBCO film on MgO (100) substrate: (a) SEM image; (b) R-T curve with the inset showing a magnified view of the superconducting transition; (c) V-I curve at 77 K.
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3.2.MgO衬底台阶的刻蚀
制备MgO衬底台阶的两步刻蚀法[15,16,19,24]如图2(a)和图2(b)所示. 在第一步刻蚀中, 首先利用光刻在衬底表面形成光刻胶图案, 如图2(a)所示, 然后以光刻胶为掩模, 利用Ar离子束对衬底进行刻蚀. 刻蚀时Ar离子束在衬底表面的入射角, 即Ar离子束与衬底表面法线方向的夹角为α. 文献结果表明[14,15,18], α的大小对MgO衬底的刻蚀速率、台阶的形貌等都有重要影响. 为进一步调节光刻胶和MgO衬底的相对刻蚀速率, 还需将衬底在载物台平面上(即以衬底的法线为轴)旋转β角度, 如图2(a)所标记. 改变β可改变入射离子束与MgO晶格点阵的角度关系, 从而影响衬底的刻蚀速率[15], 文献中[15,16,18]一般取β = 10°.![](https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2021/3/PIC/3-20201291-2_mini.jpg)
Figure2. Fabrication of step on MgO substrate by using two-stage ion beam etching: (a) Schematic of the first ion beam etching; (b) schematic of the second ion beam etching; (c) step profile after the first etching measured by a stylus profiler; (d) step profile after the second ion beam etching.
在第一步刻蚀中, 刻蚀溅射出来的MgO等物质在台阶上沿可能会再沉积, 累积之后在台阶上沿表面处形成凸起, 即形成“兔耳”(rabbit ear)状的结构[15,16,24]. 为核实这一情况, 在第一步刻蚀完成后, 用丙酮将光刻胶去除, 通过探针轮廓仪对台阶进行了测量, 结果如图2(c)所示. 可以看到, 在台阶上沿处的确出现如兔耳状的凸起. 这样的凸起对后续YBCO薄膜的生长和台阶结的制备会产生相当负面的影响, 需要将其去除, 这也正是第二步刻蚀的一个主要目的. 如图2(b)所示, 在第二步刻蚀中, Ar离子束沿着衬底表面法线方向垂直入射到衬底上, 将兔耳状的凸起去除的同时, 也具有清洁衬底的作用[15,16,24]. 图2(d)显示了第二步刻蚀后探针轮廓仪对台阶的测量结果. 可以看到, 与图2(c)相比, 台阶上沿处的兔耳状凸起已基本消失不见, 证实了第二步刻蚀的作用. 图2(b)中同时示意地画出了制备得到的MgO衬底台阶的形貌: 在图2(a)中迎着入射离子束的光刻胶侧面处, 衬底上形成比较陡峭的台阶, 用于台阶结的制备; 距离这一台阶稍远的刻蚀区域, 由于相平行的光刻胶的侧面(图2(a)中未画出)背向入射离子束, 衬底上仅出现比较平缓的斜坡.
在β = 10°的条件下, 利用SEM测量研究了α在0°—70°之间变化时对台阶的刻蚀及形貌的影响. 总体上发现, 随着α的增大, 刻蚀得到的台阶角度θ (台阶表面与衬底平面之间的夹角)也增大, 在α = 65°时达到极值, 然后又稍减小. 同时, 在α = 45°附近时, 观察到台阶下沿底部出现沟槽状的过刻蚀现象. 图3展示了α = 65°时制备的台阶的SEM形貌图. 图3(a)为台阶的断面测量, 可看到台阶上下边沿都比较锐利, 台阶角度θ = 34°. 从图3(b)的台阶斜视图可进一步看出, 顺着台阶表面, 台阶边沿都比较整齐均匀. 图3(c)和图3(d)分别为背向离子束入射区域衬底的断面和斜视图, 可以看到, 此刻蚀区域内衬底上仅出现很平缓的斜坡, 与图2(b)中的示意一致. 这将保证只在图3(a)和图3(b)中所示的衬底台阶处形成台阶结, 有利于结的性能的调控及相关超导器件的研制.
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Figure3. SEM images of the step: (a) Cross section of the step; (b) oblique view of the step; (c) cross section of the substrate at the other side (opposite to the step) of the defined etching area; (d) oblique view of the substrate at the other side of the defined etching area.
根据以上结果, 本文选定α = 65°来进行θ = 34°台阶的刻蚀及台阶结的制备. 对MgO衬底, 文献研究表明, θ达到19°时, 台阶边沿处YBCO薄膜中即会形成晶界, 得到台阶结[25,26]. 这与STO, LAO衬底上需要θ不低于45°才能形成YBCO晶界[1]的情形很不相同. 进一步地, Foley等[26]和Yamaguchi等[27]指出MgO衬底上θ为36°时, YBCO薄膜中形成的晶界为[101]方向, 且此时形成的晶界更加干净. 本文的θ = 34°与这一推荐值比较接近. 另外, 在德国尤利希研究中心Faley等[19]的工作中, 制备的MgO衬底台阶θ = 38°, 也与本文值接近. 在与本文相似的α和β刻蚀条件下, 德国莱布尼茨研究所Kaczmarek等[18]制备了θ = 45°的台阶, 台阶角度高于本文的结果. 这表明在衬底刻蚀时, 其他刻蚀参数也会对台阶的角度和形貌产生一定的影响, 值得进一步深入研究.
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3.3.YBCO台阶结的输运测量
在衬底上通过上述工艺制备出台阶, 然后利用PLD生长YBCO超导薄膜, 进而通过紫外光刻确定结区图形, 制备出YBCO台阶结. 图4显示了一个结样品的R-T曲线, 结微桥线宽10 μm、厚度110 nm、台阶高度210 nm. 可以看到, 随着温度降低, 样品电阻出现陡降, 这与图1(b)相似, 体现出YBCO微桥的超导转变, 转变中点温度TC = 88.3 K. 但与图1(b)不同的是, 在超导转变接近完成时, 结样品电阻下降出现一个明显的拖尾现象, 如图4中的插图所示, 电阻在一个相对较宽的温度区间内缓慢减小, 至约85.5 K时才变为零. 这一差异, 即出现的电阻拖尾现象, 正是YBCO台阶结输运特性的体现[28,29].![](https://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2021/3/PIC/3-20201291-4_mini.jpg)
Figure4. R-T curve of the YBCO step-edge junction on MgO substrate. The inset shows a magnified view of the foot-structure region with the red line being a fit to the A-H theory.
利用Ambagaokar-Halperin (A-H)理论[30]可对此电阻拖尾现象作进一步分析. 按电阻电容分路结模型, 在电流I作用下约瑟夫森结两端相位差?的变化可等效为质量
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由(1)式对拖尾区的电阻进行拟合, 其中TC = 88.3 K, 拟合曲线如图4插图中的红线所示, 得到的拟合参数为Rn = 0.78 Ω, n = 1.92, p = 1.1 × 104. 可以看到, 拟合曲线和实验数据符合得很好, 同时, 拟合得到的Rn与超导转变开始出现拖尾时的电阻值(约0.8 Ω)一致, 表明观测到的电阻拖尾现象可由考虑TAPS的A-H理论得到比较好地描述. 进一步地, 拟合给出的n = 1.92与理论上[31]超导体-正常金属-超导体(S-N-S)型约瑟夫森结的IC随温度变化的幂指数n = 2很接近, 表明制备的台阶结可能属于S-N-S型结.
为进一步表征结的特性, 测量了TC附近、温度低于85.5 K时结的V-I曲线, 如图5(a)所示. 可以看出, 与文献报道[15,25]类似, 结的V-I特性表现出电阻分路结(resistively shunted junction, RSJ)的行为[31]. 在一些温度下, 曲线在正负电流两极关于原点不完全对称. 这一现象在YBCO晶界结的V-I特性测量中时常被观察到, 一般认为其可能与晶界附近由地磁场等所引起的磁通束缚有关[25,32]. 另外可看到, 在一些温度下V-I曲线不是十分平滑, 在小电压时出现拐点状的结构. 类似的现象在MgO衬底[25]、STO或LAO衬底[33,34]上YBCO台阶结的V-I曲线中都曾被观测到, 被认为是由台阶上、下边沿处形成的相串联的两个晶界弱连接的不对称引起的, 即两个晶界弱连接的约瑟夫森临界电流IC不太一致, 串联后这两个晶界弱连接依次进入电压态, 从而使得V-I曲线上出现拐点状的结构[33,34]. 这表明, 在如图3(a)所示的MgO衬底台阶的上、下边沿处形成的两个YBCO晶界的特性有些差异, 还需要进一步优化制备参数以提高其一致性, 从而使V-I曲线更接近于单个约瑟夫森结的行为[18]. 根据图5(a)中零电压的电流范围, 确定出其中耦合相对稍小的晶界弱连接的IC及相应的约瑟夫森临界电流密度JC, 如图5(b)所示, 其中红线表示由S-N-S型结在TC附近的温度关系
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Figure5. (a) V-I curves of the YBCO step-edge junction on MgO substrate; (b) temperature dependence of JC, with the red line being a fit to the
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注意到, 在θ较小(θ = 19°)的MgO衬底上, Mitsuzuka等[25]制备的YBCO台阶结在69 K时JC为7 × 105 A/cm2, 与本文结果接近. 进一步地, 注意到对晶界角较低、约为8°—10°的STO双晶衬底YBCO晶界结[8], 文献报道的JC也为类似水平, 如Redwing等[35]在10°晶界角STO双晶衬底上测量得到77 K时JC约为4 × 105 A/cm2, 与本文值相似. 这为理解本文制备的YBCO台阶结的特性提供了一定的线索. 对上述低晶界角双晶衬底YBCO晶界结, 基于微观结构考察和输运性质测量, 一般认为[8,35]其晶界区由超导区域和非超导区域交替排列组成, 从模型上来说接近于一系列S-s′-S微桥的并联, 其中s′代表晶界附近的超导通道, 由于晶界处的无序或缺陷使得其具有较低的TC, 这些s′超导通道由晶界上一系列的位错或强无序区域(对应着非超导通道)隔开. 随着晶界角的增大, 周期性的位错或强无序区域将会合并, 在晶界处形成畸变层, 从而使得结可能更接近于S-N-S或S-I-S型结的行为[8,36]. 因此, 虽然STO衬底上的YBCO双晶结和MgO衬底上的YBCO台阶结的晶界类型并不相同[8,14,15], 从上述两者相似的JC值出发, 并考虑到台阶结的结微桥宽度, 可推测本文制备的MgO衬底YBCO台阶结也有可能接近于上面S-s′-S模型所描述的情况. 不过另一方面, 在上述S-s′-S模型下, TC附近JC一般随温度线性变化[31,35], 这与图5(b)所示的JC符合S-N-S型结[31,36]的
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图5(b)的插图显示了TC附近结的特性参量ICRn, 其中Rn取为图5(a)中电流远高于IC时结的微分电阻. 同时给出的还有Du等[17]在MgO衬底YBCO台阶结上测量的结果, 可看到, ICRn随温度升高近似线性减小, 与文献报道接近. 在77 K, ICRn约为0.6 mV, 与Foley等报道的0.1—0.6 mV[15], Mitchell等报道的0.1—0.4 mV[16], Du等报道的0.7 mV[17], Kaczmarek等报道的0.4—0.7 mV[18], Faley等报道的0.3 mV[19]等数值范围接近, 体现出MgO衬底YBCO台阶结可获得较高的ICRn的特点. 较高的ICRn对提高结的响应频率或响应速度、提高DC SQUID的电压调制幅度及磁场灵敏度等都将带来益处[6,17-19]. 另外需要指出的是, 上述提到的S-s′-S结或S-N-S结模型都可以给出TC附近ICRn随温度线性变化的行为[35,37]. 因此, 目前尚不能基于图5(b)插图所示的ICRn的实验结果来对这两种模型加以区分. 如前所述, 还需要更深入的测量和分析来帮助进行判断.
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3.4.YBCO RF SQUID器件的表征
利用上述的台阶结制备技术, 我们初步制备了包含MgO衬底YBCO台阶结的高温超导RF SQUID器件. 器件构型与之前文献报道的基于LAO衬底YBCO台阶结的RF SQUID器件构型相似[11]. SQUID芯片所用的MgO衬底大小为5 mm × 5 mm, 中心超导环孔尺寸为120 μm × 120 μm, YBCO台阶结的线宽为3 μm. 谐振器由10 mm × 10 mm大小的STO衬底及其上生长的YBCO超导薄膜构成[21]. 采用FLL方式对器件进行了测试.图6显示了77 K时RF SQUID器件的测试结果. FLL未闭合时测试结果如图6(a)所示, 其中黄线是磁场扫场信号(纵向刻度为1.0 V/格), 蓝线为器件的电压-磁通曲线(纵向刻度为0.2 V/格), 即通常所说的三角波图形. 可以看到, 三角波的幅度(电压峰峰值)约为0.6 V, 与LAO衬底上的器件 (0.9 V)接近[11], 磁通-电压转换系数为170 mV/Φ0. 将FLL闭合, 即置于锁定状态, 测量器件的磁通噪声谱, 如图6(b)所示. 在频率高于500 Hz时, 谱线变化平缓, 显示磁通噪声为220—250
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Figure6. Characterization of the YBCO RF SQUID: (a) Voltage-flux curve; (b) noise spectra, with blue dashed line denoting 800 fT/Hz1/2 at 1 kHz.
文献中Du[38]也曾利用MgO衬底YBCO台阶结制备RF SQUID器件, 对不同器件测得白噪声段磁场噪声为300—1100 fT/Hz1/2. 本文上述磁场噪声数值处在此范围内. 在Du[38]的工作中, 发现器件的性能与台阶结的IC关系比较密切, 通过改变YBCO薄膜的厚度或对器件进行离子束轰击等后处理以调节或降低IC, 可改善器件的性能, 得到磁场噪声在300—500 fT/Hz1/2性能相对较好的器件. 这为后续进一步优化MgO衬底YBCO台阶结的制备工艺及参数选择, 以降低结的JC或调节结的IC, 从而进一步提高相应的RF SQUID器件的噪声性能提供了借鉴.
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