电子束退火制备MgB_2超导薄膜和MgB_2约瑟夫森结

【摘要】由于MgB2是迄今为止人们发现的超导转变温度最高的金属化合物(T。可达39K),结构简单,具有较高的临界电流密度,不存在高温超导体所具有的弱连接作用,尤其在较高磁场下的应用潜力剧大,所以引发了科学界的广泛关注和研究。当今电子元器件主要以薄膜作为基础,MgB2的超导电性被发现后,各国科学家不仅对制备MgB2线材带材进行了研究,更是对制备MgB2超导薄膜产生了极大的兴趣。由于MgB2超导体的临界转变温度远远高于Nb合金超导体,用MgB2超导体制作的约瑟夫森节和超导量子干涉仪(SQUEDs)可以在高于20K的温度操作,而不需要冷却至4.2K后才能操作,所以应用前景乐观。本论文采用PVD加电子束退火法(ElectronBeamAnnealing,EBA)制备Mg/B多层膜,并摸索电子束退火工艺。在工艺比较完善的基础上尝试制备了MgB2-B-MgB2约瑟夫森结。首先,从理论上研究了MgB2超导薄膜采用电子束退火法制备的可行性。电子束退火制备MgB2超导薄膜的关键因素是电子束在合适的时间内使前驱膜内部温度升高到适宜于Mg、B充分反应生成MgB2的温度区间。通过对电子束表面改性机理和电子束退火温度场分布的研究,得出了电子束退火可以满足Mg、B发生化学反应合成MgB2对温度需求的结论。同时,采用MonteCarlo方法模拟了电子束在前驱膜中的有效穿透深度,为合理选择适当的加速电压提供了参考依据。并在一定的退火条件下对前驱膜进行尝试退火,得到超导转变温度为33.2K的MgB2超导薄膜。其次,研究了不同比例的Mg/B对MgB2薄膜超导性能的影响。通过调整不同的Mg、B比例得到一系列MgB2薄膜,对其电性能进行测量,发现当Mg原子过量20%-30%之间时,可以得到最高的超导转变温度；为了进一步得到性能良好的MgB2超导薄膜,对电子束退火束流进行了探讨。束流是影响电子束退火效果的关键因素之一。在其他条件不变的情况下,研究发现当束流从9.9mA增大到12.8mA时,薄膜的超导转变温度逐渐升高；继续增大束流,超导转变温度逐渐降低。在加速电压为32kV、束斑直径为1.41cm、退火时间为0.26s的条件下,制备MgB2超导薄膜的最佳束流应介于10.7mA-12.8mA之间。在12.8mA的退火条件下,15K时临界电流密度4.9×106A/cm2.最后,用B做势垒层制备MgB2的SNS约瑟夫森结。最终制得超导转变温度为30K的约瑟夫森结,通过对其I-V特性的测量,最终在15K下,得到结区的临界电流密度接近2A/cm2。
【作者】许壮；
【导师】王君；韩立；
【作者基本信息】兰州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】MgB2；超导薄膜；电子束退火；约瑟夫森结；

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