專利名稱：一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法。
技術(shù)背景高溫超導(dǎo)電性問題經(jīng)過了多年的實驗和理論研究的積累，目前在理論、實 驗、模擬上都處于研究匯總和研究方向轉(zhuǎn)變的時期。研究高溫超3微觀機(jī)理相 對新穎且可行的方法是在微觀尺度下研究高溫超導(dǎo)體，對僅有幾個原胞寬度和 幾個原子層厚度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)可控的實驗。同其它固體材料一樣，當(dāng)高溫超 導(dǎo)體的尺寸進(jìn)入納米級的尺度時，其物理性質(zhì)將會發(fā)生很大的改變。幾個重要 而基本的物理問題是高溫超導(dǎo)體的尺寸進(jìn)入納米級的尺度時是否仍然保有原 來的相圖？高溫超導(dǎo)體保持其超導(dǎo)特性的極限尺寸究竟有多大？它又是由什么 決定的？這些問題對于理解高溫超導(dǎo)體的納米超導(dǎo)電性，闡明高溫超導(dǎo)機(jī)理，進(jìn)而開發(fā)更高7;的新超導(dǎo)體具有重要的意義。同時，這些問題對于確定超導(dǎo)電子線路的微型化極限也具有非常重要的意義。雖然目前對納米材料研究已是如火 如荼，但是由于高溫超導(dǎo)體材料本身的復(fù)雜性，高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備和物理性質(zhì)研究則仍然是空白(J.A.Bonctti， et al,, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 087002 〕 、 (P. Mikheenko, et al" Phys. Rev. B 72 (2005) 174506〕 、 〔G. Q, Zhang, et al.， Nanotechiiology 17,(2006)4252)。目前，制備具有完整晶體結(jié)構(gòu)的納米高溫超導(dǎo)材料面臨以下幾個方面的困 難a)傳統(tǒng)的光刻方法，如電子束光刻，因電荷聚集效應(yīng)對LaAK)3、 SrTiO;等 絕緣基底無效。而且，這些器件的晶體外延生長需要高溫，無法使用光刻膠。b) 由光刻膠或選擇性濕法刻蝕帶來的化學(xué)污染嚴(yán)重影響了薄膜的完整性。c)利用 聚焦離子束(FIB)刻蝕雖然可以很方便地制備大面積納米結(jié)構(gòu)陣列〔B. Wei,etal., Appl. Phys. Lett. 74 (1999) 3149〕 、 (G, Xiong, et al., Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 3461) 、 〔E. A. Stach， et a]., Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 4420〕。然而，刻蝕過程中由于離子束的轟擊， 將會對樣品表面造成損傷或存在金屬離子注入，從而使得樣品改性，影響高溫 超導(dǎo)樣品的性能，尤其是納米尺度的樣品更為明顯。眾所周知，由于藍(lán)寶石(A1203)介電常數(shù)小、介質(zhì)損耗小、導(dǎo)熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、機(jī)械強(qiáng)度高、 尺寸大、價格較低，因而成為目前微波器件和薄膜限流器最流行的基片材料。然而，它與高溫超導(dǎo)材料間擴(kuò)散嚴(yán)重，在藍(lán)寶石襯底上還不能直接制備出高溫超導(dǎo)薄膜。需要合適的介質(zhì)材料作為緩沖層進(jìn)行有效的隔離，Ce02就是最合適 的緩沖層〔X. D. Wu, et al,, Appl. Phys. Lett. 58 (1991) 2165 〕。研究表明，"生長態(tài)"Ce02 緩沖層超薄膜經(jīng)過高溫氧氣氛后退火處理，其薄膜表面得以重新組裝，形成/ 形狀規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)陣列，并且大部分的襯底表面都被暴露出來。由于緩沖層 和襯底與高溫超導(dǎo)材料之間不同的界面擴(kuò)散和晶格匹配以及緩沖層效應(yīng)，因而 高溫超導(dǎo)材料將在Ce02納米結(jié)構(gòu)之上優(yōu)先成核，由此得到的高溫超導(dǎo)薄膜具有 相應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)，這就是所謂的高溫超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的"界面輔助自組裝外延技 術(shù)"。因此，利用"界面輔助自組裝外延技術(shù)"，發(fā)明一種有序、高質(zhì)量的高溫超 導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法是本發(fā)明目的之所在。 發(fā)明內(nèi)容木發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法， 包括如下步驟1) Ce02或Y穩(wěn)定的Zr02 (簡稱為YSZ)緩沖層納米結(jié)構(gòu)的制備① 沉積利用脈沖激光沉積法或其它沉積方法，(如磁控濺射法等)在單晶 基片上生長Ce02或YSZ緩沖層超薄膜；所述Ce02或YSZ薄膜的沉積速率為每個 激光脈沖0.02 0.10nm，所述CeO2或YSZ薄膜厚度控制在l 20nm，制得的Ce02 或YSZ薄膜樣品為"生長態(tài)"薄膜樣品；② 退火將"生長態(tài)"薄膜樣品放入管式爐或纖維電阻爐中或原位，通入流動 的氧氣，在1000 1400。C的條件下退火10 60分鐘，然后冷卻至室溫，制得帶 Ce02或YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的基片；2) 高溫超導(dǎo)材料納米結(jié)構(gòu)的界面自組裝生長利用脈沖激光沉積法或其它沉積方法(如磁控濺射法、后處理法等)在帶 有Ce02或YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的基片上生長高溫超導(dǎo)薄膜；所述髙溫超導(dǎo)薄膜 厚度控制在10 100nm;由此得到的高溫超導(dǎo)薄膜具有相應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述高溫超導(dǎo)薄膜材料包括YBa2Qi307 (簡稱為YBCOXLa系、 Bi系或Tl系等。作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述YBCO靶材是純度為99.9。/。以上的Y203、BaC03和CuO混合粉末研磨后在950、 970和980。C分別預(yù)燒3次，每次10-30個小 時，充分研磨后在100 300個大氣壓下壓制成圓盤，再在980。C下燒結(jié)30 60 個小時所得。進(jìn)一步地，所述單晶基片是Al203 (1丄02)或Si (100)材料。進(jìn)一步地，在步驟l)中，所述Ce02是將純度為99.99。/。的Ce02粉末在100 300個大氣壓下壓制成圓盤，再在1400 1600 。C下燒結(jié)20 40個小時所得。進(jìn)一步地，在步驟l)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2xlO^Torr; 所述激光器是KrF準(zhǔn)分子激光器(比如美國相干公司生產(chǎn)的型號COMPex102)， 該激光器的激光波長為248 nm，激光頻率為1 5 Hz，激光能量密度為2 4 J/cm2。進(jìn)一步地，在步驟l)中，所述Ce02或YSZ薄膜沉積時的單晶基片溫度為 760 840°C，氧分壓為200 400mTorr;所述Ce02或YSZ薄膜沉積完成后，樣品 在溫度為400 450。C和200 600 Torr的純氧氣氛下在原位退火30 60分鐘，然 后冷卻到室溫，沉積步驟完成。進(jìn)一步地，在步驟2)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2xlO々Torr; 所述激光器是KrF準(zhǔn)分子激光器(例如美國相干公司的，型號COMPex102)，所 述激光器波長為248nm，激光頻率為l 5Hz，激光能量密度為2 4 J/cm2。進(jìn)一步地，在步驟2)中，所述高溫超導(dǎo)薄膜的沉積速率為每個激光脈沖 0.05 0.2nm。進(jìn)一步地，在步驟2)中，所述高溫超導(dǎo)薄膜脈沖激光沉積時基片溫度為 740 820。C，氧分壓為200 400mTorr。進(jìn)一步地，在步驟2)中，所述高溫超導(dǎo)薄膜脈沖激光沉積完成后在溫度為 400 450。C和200 600 Torr的純氧氣氛下在原位退火30 60分鐘，然后冷卻到 室溫，制得樣品。研究表明，"生長態(tài)"Ce02或YSZ緩沖層超薄膜經(jīng)過高溫氧氣氛后退火處 理，其薄膜表面得以重新組裝，形成了形狀規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)陣列，并且大部分 的襯底表面都被暴露出來?？梢酝ㄟ^控制"生長態(tài)"Ce02或YSZ薄膜的厚度和選 擇不同的退火溫度，控制Ce02或YSZ緩沖層納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸及其分布， 獲得YBCO等高溫超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)"界面自組裝外延生長"的有效基底。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明提出了一套簡單、可行的實驗方法制備緩 沖層和高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)及其陣列，可實現(xiàn)緩沖層和高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)及其陣列的可控生長。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說明
圖1為lnm厚度的Ce02薄膜在1個大氣壓氧氣中105(TC退火1小時后的 AFM (lpmxl(im)形貌；
圖2為5nm厚度的Ce02薄膜在1個大氣壓氧氣中1050'C退火1小時后的 AFM (l|imxlfim)形貌。
具體實施例方式
本發(fā)明特征是利用脈沖激光沉積(PLD)法(或其它沉積方法，如磁控濺射 法等)在A1203 (1丄02)(或其它基片，如Si (100)等)單晶基片上生長Ce02 或YSZ緩沖層超薄膜，然后將Ce02或YSZ緩沖層超薄膜在高溫氧氣氛下進(jìn)行 后退火處理，使其薄膜表面得以重新組裝，形成了形狀規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)陣列， 并且大部分的襯底表面都被暴露出來。由于緩沖層和襯底與高溫超導(dǎo)材料之間 不同的界面擴(kuò)散和晶格匹配以及緩沖層效應(yīng)，高溫超導(dǎo)材料將在緩沖層納米結(jié) 構(gòu)之上優(yōu)先成核，由此得到的高溫超導(dǎo)薄膜具有相應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)，這就是所謂 的高溫超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的"界面輔助自組裝外延技術(shù)"。
實施例l1) 藍(lán)寶石上Ce02緩沖層納米結(jié)構(gòu)的制備
① 沉積利用脈沖激光沉積法在R面藍(lán)寶石〔A1203 (U02)〕單晶基片上 生長Ce02緩沖層超薄膜；所述CeO2薄膜的沉積速率為每個激光脈沖0.05nm，所 述Ce02薄膜厚度控制在2歷，制得的Ce02薄膜樣品為"生長態(tài),，薄膜樣品；
② 退火將"生長態(tài)"薄膜樣品在(超)高真空下傳入退火腔中，通入流動的 氧氣，在1050。C的條件下原位退火60分鐘，然后冷卻至室溫，制得帶Ce02納米
結(jié)構(gòu)緩沖層的基片；
2) YBCO高溫超導(dǎo)材料納米結(jié)構(gòu)的界面自組裝生長
① 沉積再將帶有Ce02納米結(jié)構(gòu)緩沖層的藍(lán)寶石基片在(超)高真空下傳 入脈沖激光沉積腔，利用脈沖激光沉積法在帶有Ce02納米結(jié)構(gòu)緩沖層的藍(lán)寶石 基片上生長YBCO高溫超導(dǎo)材料薄膜；所述YBCO高溫超導(dǎo)材料薄膜的沉積速率 為每個激光脈沖0.13 nm，所述YBCO高溫超導(dǎo)材料薄膜厚度控制在10 50nm;
② 退火沉積完成后樣品在溫度為430。C和400 Torr的純氧氣氛下在原位退火60分鐘，然后冷卻到室溫，制得樣品。
在步驟l)中，所述Ce02是將純度為99.99。/。的Ce02粉末在100個大氣壓下壓 制成圓盤，再在1500 。C下燒結(jié)40個小時所得。
在步驟l)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2x10—7Torr;所述激光 器是KrF準(zhǔn)分子激光器(比如美國相干公司生產(chǎn)的型號COMPex102)，該激光器 的激光波長為248 nm，激光頻率為l Hz，激光能量密度為2 J/cm2。
在步驟l)中，所述CeO2薄膜沉積時的藍(lán)寶石單晶基片溫度為820。C，氧分 壓為300mTorr;所述Ce02薄膜沉積完成后，樣品在溫度為430。C和400Torr的純氧 氣氛下在原位退火60分鐘，然后冷卻到室溫，沉積步驟完成。
在步驟2)中，所述YBCO靶材是純度為99.9。/。以上的Y203、 BaC03和CuO混 合粉末研磨后在950、 970和980。C分別預(yù)燒3次，每次20個小時，充分研磨后在 200個大氣壓下壓制成圓盤，再在980。C下燒結(jié)50個小時所得。
在步驟2)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2xlO'Torr;所述激光 器是KrF準(zhǔn)分子激光器(例如美國相干公司的，型號COMPex102)，所述激光器 波長為248nm，激光頻率為2Hz，激光能量密度為4 J/cm2。
在步驟2)中，所述YBCO高溫超^薄膜沉積時基片溫度為780。C，氧分壓為 300 mTorr。
實施例2
1) 藍(lán)寶石上Ce02緩沖層納米結(jié)構(gòu)的制備
① 沉積利用脈沖激光沉積法在R面藍(lán)寶石〔A1203 (1102)〕單晶基片上 生長Ce02緩沖層超薄膜；所述CeO2薄膜的沉積速率為每個激光脈沖0.02nm，所 述Ce02薄膜厚度控制在10 nm，制得的Ce02薄膜樣品為"生長態(tài)"薄膜樣品；
② 退火將"生長態(tài)"薄膜樣品在(超)高真空下傳入退火腔中，通入流動的 氧氣，在1400。C的條件下原位退火10分鐘，然后冷卻至室溫，制得帶Ce02納米 結(jié)構(gòu)緩沖層的基片；
2) YBCO高溫超導(dǎo)材料納米結(jié)構(gòu)的界面自組裝生長
①沉積再將帶有Ce02納米結(jié)構(gòu)緩沖層的藍(lán)寶石基片在(超)高真空下傳 入脈沖激光沉積腔，利用脈沖激光沉積法在帶有Ce02納米結(jié)構(gòu)緩沖層的藍(lán)寶石 基片上生長YBCO高溫超導(dǎo)材料薄膜；所述YBCO高溫超導(dǎo)材料薄膜的沉積速率 為每個激光脈沖0.05 nm，所述YBCO高溫超導(dǎo)材料薄膜厚度控制在10 nm;②退火沉積完成后樣品在溫度為400。C和200Torr的純氧氣氛下在原位退火 30分鐘，然后冷卻到室溫，制得樣品。
在步驟1)中，所述Ce02是將純度為99.99。/。的Ce02粉末在100個大氣壓下壓 制成圓盤，再在1400。C下燒結(jié)20個小時所得。
在步驟l)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2xl(^Torr;所述激光 器是KrF準(zhǔn)分子激光器(比如美國相干公司生產(chǎn)的型號COMPex102)，該激光器 的激光波長為248nm,激光頻率為5 Hz，激光能量密度為4 J/cm2。
在步驟I)中，所述CeO2薄膜沉積時的藍(lán)寶石單晶基片溫度為760。C，氧分 壓為400mTorr;所述Ce02薄膜沉積完成后，樣品在溫度為400。C和200Torr的純氧 氣氛下在原位退火60分鐘，然后冷卻到室溫，沉積步驟完成。
在步驟2)中，所述YBCO耙材是純度為99.9。/o以上的Y203、 BaC03和CuO混 合粉末研磨后在950、 970和980。C分別預(yù)燒3次，每次10個小時，充分研磨后在 IOO個大氣壓下壓制成圓盤，再在980。C下燒結(jié)30個小時所得。
在步驟2)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2xlO:Torr;所述激光 器是KrF準(zhǔn)分子激光器(例如美國相干公司的，型號COMPex102)，所述激光器 波長為248nm，激光頻率為5Hz，激光能量密度為2J/cm2。
在步驟2)中，所述YBCO高溫超導(dǎo)薄膜沉積吋基片溫度為820。C，氧分壓為 200 mTorr。
實施例3
1) 藍(lán)寶石上YSZ緩沖層納米結(jié)構(gòu)的制備
① 沉積利用脈沖激光沉積法在R面藍(lán)寶石〔A1203 (1丄02)〕單晶基片上 生長YSZ緩沖層超薄膜；所述YSZ薄膜的沉積速率為每個激光脈沖0.04 nm，所 述YSZ薄膜厚度控制在10 nm，制得的002薄膜樣品為"生長態(tài)"薄膜樣品；
② 退火將"生長態(tài)"薄膜樣品放入纖維電阻爐中，通入流動的氧氣，在 1250。C的條件下退火30分鐘，然后冷卻至室溫，制得帶YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的
基片；
2) YBCO高溫超導(dǎo)材料納米結(jié)構(gòu)的界面自組裝生長
①沉積利用脈沖激光沉積法在帶有YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的藍(lán)寶石基片上生 長YBCO高溫超導(dǎo)材料薄膜；所述YBCO高溫超導(dǎo)材料薄膜的沉積速率為每個激 光脈沖O.l nm，所述YBCO高溫超導(dǎo)材料薄膜厚度控制在10 100nm;②退火沉積完成后樣品在溫度為450。C和600Torr的純氧氣氛下在原位退火 30分鐘，然后冷卻到室溫，制得樣品。
在步驟l)中，所述YSZ是采用標(biāo)準(zhǔn)商用革巴材。
在步驟l)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2xlO^Toir;所述激光 器是KrF準(zhǔn)分子激光器(比如美國相干公司生產(chǎn)的型號COMPex102)，該激光器 的激光波長為248 nm，激光頻率為2 Hz,激光能量密度為2 J/cm2。
在步驟l)中，所述YSZ薄膜沉積時的藍(lán)寶石單晶基片溫度為800。C，氧分 壓為200mTorr;所述YSZ薄膜沉積完成后，樣品在溫度為450。C和600Torr的純氧 氣氛下在原位退火30分鐘，然后冷卻到室溫，沉積步驟完成。
在步驟2)中，所述YBCO耙材是純度為99.9。/。以上的Y203、 BaC03和CuO混 合粉末研磨后在950、 970和980。C分別預(yù)燒3次，每次30個小時，充分研磨后在 300個大氣壓下壓制成圓盤，再在980。C下燒結(jié)60個小時所得。
在步驟2)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2xlO^Torr;所述激光 器是KrF準(zhǔn)分子激光器(例如美國相干公司的，型號COMPex102)，所述激光器 波長為248nm，激光頻率為2Hz，激光能量密度為4 J/cm2。
在步驟2)中，所述YBCO高溫超導(dǎo)薄膜沉積時基片溫度為750。C，氧分壓為 400 mTorr。
實施例41) 硅片上YSZ緩沖層納米結(jié)構(gòu)的制備
① 沉積利用脈沖激光沉積法在Si (100)單晶基片上生長YSZ緩沖層超薄 膜；在外延YSZ之前，先用丙酮和酒精清洗Si片，再用HF、酒精與水的混合液 腐蝕，消除Si片上的氧化層；要求所述YSZ薄膜的沉積速率為每個激光脈沖0.06 歷，所述YSZ薄膜厚度控制在10nm，制得的YSZ薄膜樣品為"生長態(tài)，，薄膜樣品；
② 退火將"生長態(tài)"薄膜樣品放入管式爐中，通入流動的氧氣，在1200。C 的條件下退火40分鐘，然后冷卻至室溫，制得帶YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的基片；
2) YBCO等高溫超導(dǎo)材料納米結(jié)構(gòu)的界面自組裝生長
① 沉積利用脈沖激光沉積法在帶有YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的Si基片上生長 YBCO高溫超導(dǎo)薄膜；所述YBCO高溫超導(dǎo)薄膜的沉積速率為每個激光脈沖0.12 nm，所述YBCO高溫超導(dǎo)薄膜厚度控制在]0 60nm;
② 退火沉積完成后樣品在溫度為420。C和400 Torr的純氧氣氛下在原位退火30 60分鐘，然后冷卻到室溫，制得產(chǎn)品。
在步驟l)中，YSZ靶材釆用的是標(biāo)準(zhǔn)商用靶。
在步驟l)中，消除Si片上氧化層的腐蝕液是由l: 10: 1的HF、酒精與水混
合而成。
在步驟l)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2xlO;Torr;所述激光 器是KrF準(zhǔn)分子激光器(比如美國相干公司生產(chǎn)的型號COMPex102)，該激光器 的激光波長為248 nm，激光頻率為lHz，激光能量密度為3 J/cm2。
在歩驟l)中，所述YSZ薄膜沉積時的Si單晶基片溫度為780。C，氧分壓為300 mTorr;所述YSZ薄膜沉積完成后，樣品在溫度為425。C禾U400 Torr的純氧氣氛下 在原位退火45分鐘，然后冷卻到室溫，沉積步驟完成。
在歩驟2)中，所述YBCO靶材是純度為99.9。/。以上的Y203、 BaC03和CuO混 合粉末研磨后在950、 970和980。C分別預(yù)燒3次，每次20個小時，充分研磨后在 200個大氣壓下壓制成圓盤，再在980。C下燒結(jié)45個小時所得。
在歩驟2)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2xlO^Torr;所述激光 器是KrF準(zhǔn)分子激光器(例如美國相千公司的，型號COMPex102)，所述激光器 波長為248nm，激光頻率為3Hz，激光能量密度為3J/cm2。
在歩驟2)中，所述YBCO高溫超導(dǎo)薄膜脈沖激光沉積時基片溫度為740。C， 氧分壓為300mTorr。
實施例5
重復(fù)實施例l、 2或3，其不同之處在于所述高溫超導(dǎo)材料是La系高溫超導(dǎo)材料。
實施例6
重復(fù)實施例l、 2或3，其不同之處在于所述高溫超導(dǎo)材料是Bi系高溫超導(dǎo)材料。
實施例7
重復(fù)實施例l、 2或3，其不同之處在于所述高溫超導(dǎo)材料是T1系高溫超導(dǎo) 材料，制備T1系薄膜的方法為后處理法。
顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并 非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實施 方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動 仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
權(quán)利要求
1、一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特征在于，包括如下步驟1)CeO2或YSZ緩沖層納米結(jié)構(gòu)的制備①沉積利用脈沖激光沉積法或其它沉積方法，在單晶基片上生長CeO2或YSZ緩沖層超薄膜；所述CeO2或YSZ薄膜的沉積速率為每個激光脈沖0.02～0.10nm，所述CeO2或YSZ薄膜厚度控制在1～20nm，制得的CeO2或YSZ薄膜樣品為“生長態(tài)”薄膜樣品；②退火將“生長態(tài)”薄膜樣品放入管式爐或纖維電阻爐中或原位，通入流動的氧氣，在1000～1400℃的條件下退火10～60分鐘，然后冷卻至室溫，制得帶CeO2或YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的基片；2)高溫超導(dǎo)材料納米結(jié)構(gòu)的界面自組裝生長利用脈沖激光沉積法或其它沉積方法在帶有CeO2或YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的基片上生長高溫超導(dǎo)薄膜；所述高溫超導(dǎo)薄膜厚度控制在10～100nm；由此得到的高溫超導(dǎo)薄膜具有相應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利耍求l所述的一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特 征在于在步驟2)中，所述高溫超導(dǎo)薄膜材料包括YBCO、 La系、Bi系或Tl 系等。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特 征在于所述YBCO靶材是純度為9.9.9%以上的Y203、 BaC03和CuO混合粉末 研磨后在950、 970和980。C分別預(yù)燒3次，每次10 30個小時，充分研磨后 在100 300個大氣壓下壓制成圓盤，再在980。C下燒結(jié)30 60個小時所得。
4、 根據(jù)權(quán)利耍求l、 2或3所述的一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方 法，其特征在于所述單晶基片是"203 (1丄02)或Si (100)材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特 征在于在步驟l)中，所述Ce02是將純度為99.99。/。的Ce02粉末在100 300 個大氣壓下壓制成圓盤，再在1400 1600 。C下燒結(jié)20 40個小時所得。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特 征在于在步驟l)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2x10—7Torr;所 述激光器是KrF準(zhǔn)分子激光器，該激光器的激光波長為248 nm，激光頻率為l 5 Hz，激光能量密度為2 4 J/cm2。
7、 根據(jù)權(quán)利耍求6所述的一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特征在于在步驟l)中，所述Ce02或YSZ薄膜沉積時的單晶基片溫度為760 840°C，氧分壓為200 400 mTorr;所述Ce02或YSZ薄膜沉積完成后，樣品在 溫度為400 450°C和200 600 Torr的純氧氣氛下在原位退火30 60分鐘，然 后冷卻到室溫，沉積步驟完成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特 征在于在歩驟2)中，所述脈沖激光沉積系統(tǒng)本底真空度小于2x10—7Torr;所 述激光器是KrF準(zhǔn)分子激光器，所述激光器波長為248 nm，激光頻率為1 5 Hz， 激光能量密度為2 4 J/cm2。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特 征在于在歩驟2)中，所述高溫超導(dǎo)薄膜的沉積速率為每個激光脈沖0.05 0.2 nm;所述高溫超導(dǎo)薄膜脈沖激光沉積時基片溫度為740 820。C，氧分壓為200 400 mTorr。
10、 根據(jù)權(quán)利耍求9所述的一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，其特 征在于在步驟2)中，所述高溫超導(dǎo)薄膜脈沖激光沉積完成后在溫度為400 450。C和200 600 Torr的純氧氣氛下在原位退火30 60分鐘，然后冷卻到室溫， 制得樣品。
全文摘要
一種高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列的制備方法，包括如下步驟利用脈沖激光沉積法等方法，在單晶基片上生長CeO₂或YSZ緩沖層超薄膜；制得的CeO₂或YSZ薄膜樣品為“生長態(tài)”薄膜樣品；將“生長態(tài)”薄膜樣品制成帶CeO₂或YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的基片；在利用脈沖激光沉積法等方法在帶有CeO₂或YSZ納米結(jié)構(gòu)緩沖層的基片上生長高溫超導(dǎo)薄膜。本發(fā)明提出了一套簡單、可行的實驗方法制備緩沖層和高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)及其陣列，可實現(xiàn)緩沖層和高溫超導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)及其陣列的可控生長。
文檔編號C23C14/08GK101319387SQ20081011498
公開日2008年12月10日 申請日期2008年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月16日
發(fā)明者聶家財 申請人:北京師范大學(xué)