聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，包括襯底、鈮膜和聚苯乙烯膠體六角陣列膜，鈮膜位于襯底之上，聚苯乙烯六角陣列膜覆蓋于鈮膜之上；聚苯乙烯六角陣列膜包括多個(gè)聚苯乙烯膠體微球，各聚苯乙烯膠體微球以單層緊密排列為六角狀陣列。本發(fā)明還公開了所述超導(dǎo)材料的制備方法。本發(fā)明將聚苯乙烯膠體微球和鈮超導(dǎo)薄膜材料構(gòu)筑為異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)材料，通過改變膠體球和鈮襯底的接觸面積，調(diào)控超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的臨界溫度，從而提高鈮薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tconset，材料制備工藝簡單，所需的設(shè)備較少，大大降低超導(dǎo)材料的制備成本，有利于推廣應(yīng)用。
【專利說明】
聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)態(tài)是大量電子發(fā)生配對凝聚的宏觀量子相干現(xiàn)象，它不僅有重要的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)又涉及固體系統(tǒng)電子多體效應(yīng)的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題。超導(dǎo)由于其特有的零電阻載流和超導(dǎo)凝聚的量子相干效應(yīng)，自從發(fā)現(xiàn)以來便向人們展示出其廣闊的應(yīng)用前景。但目前超導(dǎo)材料在實(shí)用化道路上仍有許多障礙存在，對于一個(gè)超導(dǎo)材料而言，它的超導(dǎo)電性取決于三個(gè)臨界參量:臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度，當(dāng)溫度、磁場和電流密度大于臨界參量時(shí)，超導(dǎo)電性即被破壞。因此超導(dǎo)材料的實(shí)用化一方面取決于能否對超導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)有效控制，另一方面依賴于如何實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)臨界參量的優(yōu)化和提高。
[0003]眾所周知，在不同的壓力下，超導(dǎo)薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會發(fā)生變化，一般來講，壓強(qiáng)越大，材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提升越明顯。然而，從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的角度來講，目前采用的通過高壓提升材料超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的同時(shí)也限制了超導(dǎo)器件的應(yīng)用。如何通過簡便、經(jīng)濟(jì)的途徑提升超導(dǎo)材料的臨界溫度，成為超導(dǎo)器件實(shí)用化的一個(gè)重要因素。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是解決目前超導(dǎo)材料一般通過高壓提升超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，從而改善其超導(dǎo)電性，但巨大的壓強(qiáng)對設(shè)備要求高，導(dǎo)致其應(yīng)用困難，成本高的技術(shù)問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，一方面，本發(fā)明提供一種聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，包括襯底、鈮膜和聚苯乙烯六角陣列膜，所述鈮膜位于所述襯底之上，所述聚苯乙烯六角陣列膜覆蓋于所述鈮膜之上；
所述聚苯乙烯六角陣列膜包括多個(gè)聚苯乙烯膠體微球，各所述聚苯乙烯膠體微球以單層緊密排列為六角狀陣列。
[0006]進(jìn)一步地，所述襯底為尚阻娃襯底。
[0007 ] 進(jìn)一步地，所述銀膜的厚度為7 Onm?200nm。
[0008]進(jìn)一步地，所述聚苯乙稀膠體微球的直徑為10nm?2000nm。
[0009]另一方面，本發(fā)明提供一種聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)清洗襯底；
(2)合成鈮膜:將所述襯底放入真空磁控濺射鍍膜機(jī)中，將鈮靶放置于磁控濺射靶位，抽真空，進(jìn)行濺射鍍膜，合成鈮膜；
(3 )在所述襯底上鍍上所述鈮膜；
(4)采用氣-液界面合成法，將聚苯乙烯膠體微球附于鍍有鈮膜的所述襯底表面，形成聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料。
[0010]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中，清洗所述襯底的工序包括: (101)將所述襯底置于丙酮中超聲清洗40分鐘，然后用去離子水清洗多次；
(102)將所述襯底置于無水乙醇中超聲清洗40分鐘，然后用去離子水清洗多次；
(103)將所述襯底置于蒸餾水中超聲清洗30分鐘后，置于無水乙醇中待用。
[0011]進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，濺射鍍膜時(shí)，將所述襯底的溫度保持在400°C，抽真空至I O—7托，然后充入氬氣進(jìn)行濺射鍍膜，濺射功率為70瓦，預(yù)濺射時(shí)間為3000秒，濺射沉積時(shí)間為1500秒?5000秒。
[0012]進(jìn)一步地，步驟(2)中所述Nb靶純度為99.99% ο
[0013]進(jìn)一步地，步驟(4)中所述聚苯乙烯膠體微球陣列的直徑誤差彡8%。
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟(4)的工序如下:
(401)將聚苯乙烯膠體球溶液按照一定的體積比與無水乙醇和去離子水混合，再將混合液注入到注射器中；
(402)用所述注射器將所述混合液滴到所述襯底表面，所述混合液在襯底邊緣與去離子水發(fā)生界面作用，在表面張力的作用下，使聚苯乙烯膠體球浮于液體表面，形成規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)膜;然后，用鍍有鈮膜的襯底將所述納米結(jié)構(gòu)膜撈起，用濾紙將所述納米結(jié)構(gòu)膜上多余的去離子水吸走，得到聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料。
[0015]進(jìn)一步地，通過熱處理改變所述聚苯乙烯膠體微球和所述鈮膜之間的接觸面積，熱處理的溫度范圍為70 oC?100 °C，熱處理時(shí)間為O?120分鐘。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明將聚苯乙烯膠體微球和鈮超導(dǎo)薄膜材料構(gòu)筑為異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)材料，通過改變膠體球和鈮襯底的接觸面積，調(diào)控超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的臨界溫度，從而提高鈮薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc°_t，材料制備工藝簡單，所需的設(shè)備較少，大大降低超導(dǎo)材料的制備成本，有利于推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0017]圖1是利用場發(fā)射掃描電鏡得到的鈮膜SEM(掃描電鏡)圖，其中顆粒的尺寸為40納米左右；
圖2是在鈮膜上合成的聚苯乙烯球納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM圖，聚苯乙烯球直徑為I微米；
圖3為去掉一半聚苯乙烯球后的鈮膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)SEM圖，聚苯乙烯球的下面為鈮膜；
圖4為本發(fā)明聚苯乙烯球鈮膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，未進(jìn)行熱處理時(shí)，聚苯乙烯球和鈮膜接觸情況SEM圖，接觸面直徑約為200 nm;
圖5為本發(fā)明聚苯乙烯球與鈮膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，100 °(:下熱處理20分鐘，聚苯乙烯球和鈮膜接觸情況的SEM圖，接觸面直徑約為300 nm；
圖6為本發(fā)明聚苯乙烯球與鈮膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，100 °C下不同熱處理時(shí)間所得到的R-T曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019]如圖1-6所示，本發(fā)明的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，包括襯底、鈮膜和聚苯乙烯六角陣列膜，所述鈮膜位于所述襯底之上，所述聚苯乙烯六角陣列膜覆蓋于所述鈮膜之上；
所述聚苯乙烯六角陣列膜包括多個(gè)聚苯乙烯膠體微球，各所述聚苯乙烯膠體微球以單層緊密排列為六角狀陣列。
[0020]優(yōu)選地，所述襯底為高阻硅襯底。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述銀膜的厚度為70nm?200nm。
[0022 ] 優(yōu)選地，所述聚苯乙稀膠體微球的直徑為I OOnm?2000nm。
[0023]本發(fā)明的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)清洗襯底；
(2)合成鈮膜:將所述襯底放入真空磁控濺射鍍膜機(jī)中，將鈮靶放置于磁控濺射靶位，抽真空，進(jìn)行濺射鍍膜，合成鈮膜，如圖1所示；
(3 )在所述襯底上鍍上所述鈮膜；
(4)采用氣-液界面合成法，將聚苯乙烯膠體微球附于鍍有鈮膜的所述襯底表面，形成聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，如圖2和3所示。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟(I)中，清洗所述襯底的工序包括:
(101)將所述襯底置于丙酮中超聲清洗40分鐘，然后用去離子水清洗多次；
(102)將所述襯底置于無水乙醇中超聲清洗40分鐘，然后用去離子水清洗多次；
(103)將所述襯底置于蒸餾水中超聲清洗30分鐘后，置于無水乙醇中待用。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟(2)中，濺射鍍膜時(shí)，將所述襯底的溫度保持在400°C，抽真空至I O—7托，然后充入氬氣進(jìn)行濺射鍍膜，濺射功率為70瓦，預(yù)濺射時(shí)間為3000秒，濺射沉積時(shí)間為1500秒?5000秒。
[0026]優(yōu)選地，步驟(2)中所述Nb靶純度為99.99%。
[0027]優(yōu)選地，步驟(4)中所述聚苯乙烯膠體微球陣列的直徑誤差彡8%。
[0028]優(yōu)選地，所述步驟(4)的工序如下:
(401)將聚苯乙烯膠體球溶液按照一定的體積比與無水乙醇和去離子水混合，再將混合液注入到注射器中；
根據(jù)膠體微球的不同尺寸，選擇膠體球溶液與無水乙醇和去離子水的體積比:
直徑為2微米膠體微球，膠體球溶液:無水乙醇為1:1;
直徑為I微米膠體微球，膠體球溶液:去離子水:無水乙醇為1: 1:2;
直徑為500nm膠體微球，膠體球溶液:去離子水:無水乙醇為1:3:4;
直徑為100 nm的膠體微球，膠體球溶液:去離子水:無水乙醇為1:9:10;
(402)用所述注射器將所述混合液滴到所述襯底表面，所述混合液在襯底邊緣與去離子水發(fā)生界面作用，在表面張力的作用下，使聚苯乙烯膠體球浮于液體表面，形成規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)膜;然后，用鍍有鈮膜的襯底將所述納米結(jié)構(gòu)膜撈起，用濾紙將所述納米結(jié)構(gòu)膜上多余的去離子水吸走，得到聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料。
[0029]優(yōu)選地，通過熱處理改變所述聚苯乙烯膠體微球和所述鈮膜之間的接觸面積，熱處理的溫度范圍為70 oC?100 °C，熱處理時(shí)間為O?120分鐘。
[0030]本發(fā)明的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料具有以下性能:
1、其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為:鈮薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度TC°nsetS9.0 K，聚苯乙烯膠體球/鈮膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc°nsetS9.03-9.05 K,如圖6所示。
[0031]2、聚苯乙烯膠體球與鈮膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)接觸面積隨熱處理時(shí)間和溫度的變化，見圖4和5。
[0032]3、熱處理時(shí)間對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度!'(^⑷有明顯的影響。
[0033]以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，其特征在于，包括襯底、鈮膜和聚苯乙烯六角陣列膜，所述鈮膜位于所述襯底之上，所述聚苯乙烯六角陣列膜覆蓋于所述鈮膜之上； 所述聚苯乙烯六角陣列膜包括多個(gè)聚苯乙烯膠體微球，各所述聚苯乙烯膠體微球以單層緊密排列為六角狀陣列。2.如權(quán)利要求1所述的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，其特征在于，所述襯底為尚阻娃襯底。3.如權(quán)利要求1所述的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，其特征在于，所述銀膜的厚度為70nm?200nmo4.如權(quán)利要求1所述的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料，其特征在于，所述聚苯乙稀膠體微球的直徑為10nm?2000nm。5.聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)清洗襯底； (2)合成鈮膜:將所述襯底放入真空磁控濺射鍍膜機(jī)中，將鈮靶放置于磁控濺射靶位，抽真空，進(jìn)行濺射鍍膜，合成鈮膜； (3 )在所述襯底上鍍上所述鈮膜； (4)采用氣-液界面合成法，將聚苯乙烯膠體微球附于鍍有鈮膜的所述襯底表面，形成聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中，清洗所述襯底的工序包括: (101)將所述襯底置于丙酮中超聲清洗40分鐘，然后用去離子水清洗多次； (102)將所述襯底置于無水乙醇中超聲清洗40分鐘，然后用去離子水清洗多次； (103)將所述襯底置于蒸餾水中超聲清洗30分鐘后，置于無水乙醇中待用。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，濺射鍍膜時(shí)，將所述襯底的溫度保持在400 °C，抽真空至10一7托，然后充入氬氣進(jìn)行濺射鍍膜，濺射功率為70瓦，預(yù)濺射時(shí)間為3000秒，濺射沉積時(shí)間為1500秒?5000秒。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述Nb靶純度為99.99% ο9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述聚苯乙烯膠體微球陣列的直徑誤差<8%。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)的工序如下: (401)將聚苯乙烯膠體球溶液按照一定的體積比與無水乙醇和去離子水混合，再將混合液注入到注射器中； (402)用所述注射器將所述混合液滴到所述襯底表面，所述混合液在襯底邊緣與去離子水發(fā)生界面作用，在表面張力的作用下，使聚苯乙烯膠體球浮于液體表面，形成規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)膜;然后，用鍍有鈮膜的襯底將所述納米結(jié)構(gòu)膜撈起，用濾紙將所述納米結(jié)構(gòu)膜上多余的去離子水吸走，得到聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料。11.根據(jù)權(quán)利要求5-10任一項(xiàng)所述的聚苯乙烯膠體球與鈮膜復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的制備方法，其特征在于，通過熱處理改變所述聚苯乙烯膠體微球和所述鈮膜之間的接觸面積，熱處理的溫度范圍為70 oC?100 °C，熱處理時(shí)間為O?120分鐘。
【文檔編號】H01L39/12GK105990512SQ201610466968
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】李志剛, 馮尚申, 王天樂, 南浩善
【申請人】李志剛, 臺州學(xué)院