CN101728019B - 一种超导制品 - Google Patents
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Abstract
本发明的膜是专门为微波和RF应用优化的高温超导(HTS)薄膜。特别地，本发明关注于显著偏离1:2:3化学计量的组成以便产生为微波/RF应用优化的膜。RF/微波HTS应用要求HTS薄膜具有优异的微波性质，特别是低的表面电阻Rs和高度线性的表面电抗Xs，即高JIMD。如此，本发明的特征在于其物理组成、表面形貌、超导性质和由这些膜制成的微波电路的性能特性。
Description
本申请是申请号为200580047372.9(PCT/US2005/047147)、申请日为2005年12月22日、发明名称为“(RE)Ba2Cu3O7-δ薄膜超导体的RF性质优化的组成”的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请按照35U.S.C.§119(e)要求于2004年12月23日提交的美国临时申请第60/639,043号的优先权。
技术领域
本发明涉及为RF应用优化的高温超导组合物的薄膜及制造它们的方法，更具体涉及显著偏离1∶2∶3化学计量的(RE)Ba2Cu3O7-δ稀土组合物。
背景技术
J.G.Bednorz和R.A.Muller于1986年在标题为“Possible High TcSuperconductivity in the Ba-La-Cu-O system”(64Z.Phys.B.-Condensed Matter，pp189-193(1986))的文章中关于镧、钡、铜和氧的混合物首先报道了稀土氧化物超导体及其在显著高于先前记录的温度下超导电的能力。Bednorz和Muller描述了材料变成超导的临界温度相对先前公知的其它类材料显著提高的Ba-La-Cu-O组合物。这里，所述组合物是La5-xBaxCu5O5(3-y)，其中x＝0.75-1，y＞0，并且在30K范围发生电阻率的突变。
这个贡献导致深入的研究以便发展具有更高转变温度，优选高于77K的材料，因为这样的材料能够使用液氮来冷却超导设备。在1987年，Houston大学的C.W.Chu及其合作者们发现通过施加压力可以将La-Ba-Cu-O化合物的起始Tc提高到高于50K。(Phys.Rev.Lett.58.405(1987)；Science235，567(1987))。
Houston和Alabama大学的Chu和合作者们发现混合相Y-Ba-Cu-O体系具有Tc值接近90K的起始点和～70K的零电阻状态。该化合物具有名义组成Y1.2Ba0.8CuO4-δ(Phys.Rev.Lett.58，908(1987)。Chu和合作者们以及AT&T和IBM的科学家们接下来揭示这种化合物由名义组成为Y2BaCuO5(“绿”相)和YBa2Cu3O6+x(“黑”相)的两相组成。后者的相据确定是超导相，然而前者是半导电的(Cava等，Phys.Rev.Lett.58，1676(1987)；Hazen等，Phys.Rev.B35，7238(1987)；Grant等，Phys.Rev.Lett.35，7242(1987)。
Moodenbaugh和合作者们在混合相Lu-Ba-Cu-O化合物中也报道了接近90K的超导性(Phys.Rev.Lett.58，1885(1987)。Chu等也对化学式ABa2Cu3O6+x(其中A＝Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Ho、Er或Lu)的化合物确定出高于90K的超导性(Phys.Rev.Lett.58，1891(1987)。
从这些不同的稀土(RE)BCO(RE＝稀土，B＝Ba，C＝Cu)化合物获得的数据证实对于这类化合物，超导性与可能仅沿c-轴被A阳离子破坏的CuO2-Ba-CuO2-Ba-CuO2面集合有关。
在这个发现之后，研究关注于具有高温超导(HTS)性质的YBCO类化合物。B.Batlogg首先发现并且分离出引起YBCO化合物超导性质的单一结晶相。(B.Batlogg，美国专利第6,636,603号)。在分离组合物的这种钙钛矿相中，Batlogg提醒该组合物对于相的分离是重要的并且它必须在M2M′Cu3O7-δ组成的10％以内，其中M是二价阳离子优选为钡并且M’是三价阳离子优选为钇。
其它研究已经调查了各种稀土元素取代钇以及改变Y∶Ba∶Cu的1∶2∶3比例对HTS组合物超导性质的影响。多项研究已经表明部分或者完全取代除Pr、Ce和Tb以外的稀土元素的能力并且为所得的(RE)BCO组合物维持约90K的Tc。(S.Jin，Physica C173，第75-79页(1991))。另外，进一步的研究表明c-轴相干长度和Tc值随着增加取代钇的稀土元素的离子半径而增加(G.V.M.Williams，Physica C258，第41-46页(1996))。
基于这些发现，IBM的P.Chaudhari及其合作者们开发出一种制备名义组成为(RE)(AE)2Cu3O9-y(其中RE是稀土元素，AE是碱土元素并且y足以满足化合价的要求)的高温超导氧化物薄膜的方法。(Chaudhari，美国专利第5,863,869号(1999))。所用的稀土元素包括Y、Sc和La，并且AE还可以被Ba、Ca或Sr取代。由于铜高的超导起始温度和氧化铜膜平滑、均匀的性质，因此对于该氧化物，铜是优选的过渡金属。使用这种生长方法，Chaudhari能够获得超导起始温度约97K的YBCO膜，其在从50K到超过77K下表现出超导行为。这些膜在目标的(RE)(AE)2Cu3O9-y组成的15％内，并且Chaudhari指出为了观察到高温超导性不一定需要精确的组成。
但是，在薄膜中(RE)BCO阳离子交换的另一项研究中，JMacManus-Driscoll等注意到对于具有Ba位置上的稀土(RE)元素取代的偏离组成的膜例如RE(Ba2-xREx)Cu3Oy，其中RE＝Er或Dy并且x＞0.1(14％偏离)以及其中RE＝Ho并且x＞0(任意偏离)，Tc显著降低。(J.L MacManus-Driscoll，Physica C232，第288-308页(1994)。J.MacManus-Driscoll进一步报道薄膜生长时的氧压力似乎对RE和Ba的阳离子的结构无序有影响，稀土离子的尺寸也是如此。小的稀土阳离子取代较大的Ba阳离子将对晶格产生大的应变因此产生不可能形成的不稳定相。
改变YBCO薄膜的1∶2∶3化学计量的另一项研究指出大过量的钇形成超细的钇析出物，导致增加的表面电阻(Rs)和不良的微波品质，但是略微增加的铜和钇含量导致最小的表面电阻(E.Waffenschmidt，J.Appl.Phys.77(1)第438-440页)。此外，N.G.Chew等分析了组成中的微小变化对YBCO薄膜的结构性质和电学性质的影响并且发现以接近1∶2∶3的化学计量生长或具有过量钇的膜是平滑的，而具有过量钡的膜表现出表面粗糙度和a-轴取向晶粒的生长。(N.Chew，Appl.Phys.Lett.57(19)第2016-2018页(1990)。这些作者进一步发现存在明确限定的YBCO组成，其中Tc和Jc被最大化并且c-轴晶格常数、(007)X-射线峰宽和表面粗糙度被最小化。对于Ba/Y比例为2.22±0.05(后来建议替换为2)和Cu/(Y+Ba+Cu)比例为0.5，这些量被优化。阳离子比例从这种优化的组成的微小改变引起上述参数的显著降低。
W.Prusseit等已经制造出与其YBCO膜相比具有改良性质的同构Dy-BCO薄膜。通过用镝取代钇并且在与YBCO相同的条件下生长，Prusseit制造出仅轻微偏离1∶2∶3化学计量的膜。与其YBCO膜相比，这些材料表现出更好的化学稳定性和提高的转变温度(提高2-3K)，并且它们在77K下的表面电阻(Rs)还降低20％：10GHz下～250μΩ相对于～300μΩ，在微波谐振腔中测量。(W.Prusseit，Physica C392-396，PP.1225-1228(2003))。Hein(High-Temperature Superconductor ThinFilmsatMicrowave Frequencies(Springer Tracts in Modem Physics，155)，Berlin，1999)及其它人在YBCO薄膜的谐振腔测量中测得略微较低的表面电阻，在10GHz和77K下～200μΩ。
这些(RE)BCO化合物的组成可以从名义的1∶2∶3化学计量大幅改变以便优化它们对具体应用的性质。本发明的主要目的是提供具有最低的可能RF表面电阻(Rs)以及最低的可能的RF非线性度的高温超导薄膜。这通常需要制造显著偏离1∶2∶3组成的(RE)BCO膜。本发明的另一个目的是提供对于RF/微波应用优化的薄膜超导体。本发明的另一个目的是该膜具有低的表面电阻。本发明的另一个目的是该膜具有高度线性的RF/微波表面电抗(reactance)。本发明的另一个目的是该膜的化学计量从标准的1∶2∶3化学计量偏离至少10％并且用稀土元素完全取代钇。
发明内容
本发明的膜是专门为微波和RF应用优化的高温超导(HTS)薄膜。现有技术的表现出高温超导性质的(RE)BCO膜名义上具有组成(RE)xBayCu3O7-δ，其中RE＝稀土元素，优选钇，x＝1，y＝2且0≤δ≤1。这种1∶2∶3化学计量曾经是许多研究的焦点，包括改变稀土元素，完全和部分取代RE、Ba以及Cu，进行氧掺杂，以及偏离该1∶2∶3化学计量。
本发明关注于专门为微波和RF应用优化的RE HTS膜。RF/微波HTS应用要求HTS薄膜具有优异的微波性质，特别是低的表面电阻，Rs，以及高度线性的表面电抗，Xs，即高JIMD。如此，本发明特征在于其物理组成、表面形貌、超导性质和由这些膜制成的微波电路的性能特性。
特别地，本发明关注于为了产生为微波/RF应用而优化的膜而显著偏离1∶2∶3化学计量的组合物。这些膜具有小于1.8的RE∶Ba比例，其偏离典型的比例2超过10％，并且优选小于1.7。研究已经表明(表现图案化膜的表面电阻的)最高品质因数值Q，对于每种RE在特定的Ba∶RE比例下最大并且这些比例显著偏离1∶2∶3化学计量。
另外，HTS膜的性能特性自然影响它们在RF/微波HTS应用中的功效。优选地，所述超导制品具有名义组成RExBayCu3O7-δ的薄膜，其中y显著小于2.1，并且y/x的比例为1.65±10％，并且其中RE是稀土，0＜δ＜1。特别期望的是低的表面电阻Rs，(在1.85GHz和77K下＜15微欧姆)和高度线性的表面电抗，Xs，即高的JIMD值(在77K下＞1.0×107A/cm2，优选＞5×107A/cm2)。具有这些性质的HTS薄膜允许制造极高选择性的滤波器(在0.2％相对频率内的60-dB抑制至0.02％相对频率内的100-dB抑制，在极小尺寸(＜10-cm2滤波器芯片)中具有极低的带内插入损耗(＜1-dB，优选＜0.2-dB)，这可以处理在峰窝电话基站接收机前端处受到的干扰功率水平(-50dBm到-28dBm，至高达-12dBm到0dBm或者可能更高)而不会在传输频带中产生不希望的失真，特别是互调失真，并且更特别是与背景噪声水平(-173.8dBm/Hz)相当的互调失真产物(product)。因此，本发明的膜的特征还在于它们的优化的微波和RF性质。这些和其它目的、特征和优点将从下面的优选实施方案的更具体说明而显见。
本发明的一个实施方案中，本发明涉及一种超导制品，其包括：衬底，及位于衬底上的薄膜，该薄膜具有名义组成REzBayCu3Ox其中RE是稀土，并且其中y显著小于2.1并且y/z的比例为1.65±10％。
在本发明另一个实施方案中，本发明涉及一种具有改良微波品质的超导制品，其包括：衬底，及位于衬底上的薄膜，该薄膜具有名义组成REzBayCu3Ox其中RE是稀土且不是钇，并且其中在77K下JIMD＞1×107A/cm2。
在本发明另一个实施方案中，本发明涉及一种超导制品，其包括：衬底，及位于衬底上的薄膜，该薄膜具有名义组成REzBayCu3Ox其中RE是稀土且不是钇，并且其中y/z的比例为1.65±10％，所述制品包括浓度＜1％的45°晶界。
在本发明另一个实施方案中，所述衬底具有＞3平方英寸的表面积。
附图说明
图1显示了在MgO衬底上生长的几种(RE)BCO薄膜的θ-2θX射线衍射扫描。
图2显示了对于所示各种(RE)BCO薄膜的不同组成，2θ(005)X-射线峰的位置与Ba/RE比例的关系。
图3显示了对于所示各种(RE)BCO薄膜的不同组成，2θ(005)X-射线峰的强度与Ba/RE比例的关系。
图4显示了对于几种(RE)BCO薄膜，包括Er-，Ho-和Dy-BCO，(103)峰的代表性的X-射线衍射
扫描(左侧图)。右侧曲线显示了在(104)峰附近的(RE)BCO膜的χ-扫描。
图5显示了对于Dy-BCO薄膜，(103)布拉格角的更高灵敏度的扫描。
图6显示了为RF性质优化的Dy-BCO薄膜的表面的原子力显微镜(AFM)扫描。
图7显示了为RF性质优化的Ho-BCO薄膜的表面的AFM扫描。
图8显示了为RF性质优化的Er-BCO薄膜的表面的AFM扫描。
图9显示了为RF性质优化的Nd-BCO薄膜的表面的AFM扫描。
图10显示了对于所示各种(RE)BCO薄膜的不同组成，室温(300K)dc电阻率值与Ba/RE比例的关系。
图11显示了对于为RF性质优化的Dy-BCO膜，dc电阻率值与温度的关系，ρ(T)。插图中显示了超导转变的细节。
图12显示了对于为RF性质优化的Ho-BCO膜的ρ(T)曲线。插图中显示了超导转变的细节。
图13显示了对于为RF性质优化的Er-BCO膜的ρ(T)曲线。插图中显示了超导转变的细节。
图14显示了对于为RF性质优化的Nd-BCO膜的ρ(T)曲线。插图中显示了超导转变的细节。
图15显示了对于所示各种(RE)BCO薄膜的不同组成，零电阻Tc值与Ba/RE比例的关系。
图16显示了用来测量我们的(RE)BCO膜Q值的准集总元件谐振器设计的几何结构。该谐振器对于MgO衬底上的膜具有约1.85GHz的中心频率。该谐振器的尺寸是5.08平方毫米。
图17显示了对于所示各种(RE)BCO薄膜的不同组成，空载品质因素(Qu)与Ba/RE比例的关系。在67K的温度下和中心频率约1.85GHz的集总元件RF谐振器的-10dBm的输入功率下测量这些Qu值。Ba/RE＝2处的虚线表示1∶2∶3化合物的符合化学计量(on-stoichiometric)的值。
图18显示了对于所示各种(RE)BCO薄膜的不同组成，Qu值与RE/Cu比例的关系。在67K的温度下和中心频率约1.85GHz的集总元件RF谐振器的-10dBm的输入功率下测量这些Qu值。RE/Cu＝1/3处的虚线表示1∶2∶3化合物的符合化学计量的值。
图19显示了对于所示各种(RE)BCO薄膜的不同组成，Qu值与Ba/Cu比例的关系。在67K的温度下和中心频率约1.85GHz的集总元件RF谐振器的-10dBm的输入功率下测量这些Qu值。Ba/Cu＝2/3处的虚线表示1∶2∶3化合物的符合化学计量的值。
图20显示了用于我们的IMD试验的10-极B-带峰窝滤波器设计的布局图。滤波器的尺寸为18mm×34mm。
图21显示了HTS滤波器的互调失真测量的方框图。
图22显示了由(RE)BCO薄膜制造的10-极B-带峰窝RF滤波器的典型S11响应。显示了用于三种双音互调失真试验测量的输入频率的位置。
图23显示了对于几个由Dy-BCO膜图案化的10-极B-带滤波器，在79.5K下得到的互调失真(IMD)试验测量结果与Ba/Dy比例的关系。虚线表示所需的指定水平。
图24显示了对于几个由Ho-BCO膜图案化的10-极B-带滤波器，在79.5K下得到的IMD试验测量结果与Ba/Ho比例的关系。虚线表示所需的指定水平。
图25显示了对于几个由Er-BCO膜图案化的10-极B-带峰窝滤波器，在79.5K下得到的IMD试验测量结果与Ba/Er比例的关系。虚线表示所需的指定水平。
图26显示了对于由Nd-BCO膜图案化的四个10-极B-带滤波器，在79.5K下得到的IMD试验测量的结果。虚线表示所需的指定水平。
图27显示了对于所示各种Dy-BCO薄膜的不同组成，空载品质因数(Qu)与Ba/Dy比例的关系。在67K的温度下和中心频率约1.85GHz的集总元件RF谐振器的-10dBm的输入功率下测量这些Qu值。Ba/Dy＝2处的实线表示1∶2∶3化合物的符合化学计量的值。
图28显示了对于所示各种Dy-BCO薄膜的不同组成，空载品质因数(Qu)与Ba/Dy比例的关系。在77K的温度下和中心频率约1.85GHz的集总元件RF谐振器的-10dBm的输入功率下测量这些Qu值。Ba/Dy＝2处的实线表示1∶2∶3化合物的符合化学计量的值。
图29显示了对于所示各种Dy-BCO薄膜的不同组成，高输入功率(+10dBm)与低输入功率(-10dBm)的Q因数的比例，其中在67K的温度下测量Qu值。
图30显示了对于所示各种Dy-BCO薄膜的不同组成，高功率与低功率Q因数的比例，其中在77K的温度下测量Qu值。
图31显示了对于Dy-BCO薄膜的不同组成，2θ(005)X-射线峰强度与Ba/Dy比例的关系。
图32显示了对于Dy-BCO薄膜的不同组成，室温(300K)dc电阻率值与Ba/Dy比例的关系。
图33显示了对于Dy-BCO薄膜的不同组成，零电阻Tc值与Ba/Dy比例的关系。
表1显示了使用图案化的试验谐振器测量几种我们的(RE)BCO薄膜获得的～1.85GHz下的最大Qu值。对于-10dBm的输入功率在67K和77K下进行测量。该表格还显示了我们从这些Qu值计算得到的Rs值。
表I.用我们的标准试验谐振器在-10dBm的输入功率下测量我们的最高Q膜的空载Q值。从这些测量的Q值计算Rs值。图案化结构的这些计算Rs值小于本体(bulk)膜的实际测量的Rs值。
具体实施方式
如前面所述，本发明涉及组成为RF/微波应用优化的高温超导(HTS)薄膜以及可靠地制造这种膜的方法。如此，本发明的特征在于其物理组成、表面形貌、超导性质和由这些膜制成的微波电路(滤波器、延迟线路、耦合器等；特别是用于峰窝电话基站接收机的带通和带阻预选滤波器)的性能特性。现有技术的HTS(RE)BCO膜与本发明的(RE)BCO膜的区别据发现不但在于显著偏离1∶2∶3化学计量的组成而且在于新组合物的高度优化的RF性质。
定义
对于我们的目的，薄膜可以定义为生长、沉积、或者以另外方式施用到适当支持衬底上的材料层(一般非常薄)。这种膜的厚度可以在约1nm(10-9m)至几微米(＞10-6m)的范围内。对于许多应用的薄膜厚度的典型范围为100nm-1000nm。
高温超导体(HTS)包括广泛类别的陶瓷材料，典型为氧化物，更典型为氧化铜或铜酸盐(cuprates)，它们具有转变温度或临界温度Tc，低于该温度时材料是超导性的。高于该临界温度时，它们一般表现为金属性，或者“正常”的导电材料。HTS材料另外的一般特征在于具有高于约30K的Tc值。HTS材料的实例包括La2CaCu2O6、Bi2Sr2CaCu2O8、YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、HgBa2CaCu2O7等。这些材料为了成为超导性的必须具有明确限定的晶体结构，即它们必需具有其组成原子的非常特别规则且重复的排列。
稀土元素(RE)是周期表IIIA族中原子序数57-71的15种镧系元素：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。IIIA族过渡金属钇(原子序数39)尽管不是镧系元素，但是一般被包括在RE内，因为它在天然矿物中与它们一起存在并且具有相似的化学性质。因其相似的化学性质RE通常包括钪(原子序数21)，也是IIIA族过渡金属，以及钍(原子序数90)，周期表锕系中的一种元素。
组成
最普遍存在的HTS材料是YBCO，其由Y、Ba、Cu和O原子的规则数量和排列组成。这种材料的特定原子排列的基本重复单元被称作单胞，名义上由一个Y、两个Ba、三个Cu及七个O原子组成。该化合物的正交单胞的尺寸在a-、b-和c-轴方向上分别为约3.82×3.89×11.68埃。形成这种化合物所需要的原子比例由化学式YBa2Cu3O7-δ描述，其中氧含量可以在每单胞6至7个原子之间变化，或者0≤δ≤1。对于具有这种组成并且具有高晶体品质和纯度的单相材料，Tc值主要由δ的值决定。YBCO对于δ＜～0.6是超导体，为了提供最高的Tc值一般优选δ的值接近0。
YBCO是最广泛研究的HTS材料，并且非常了解如何制备单相形式的该材料，即仅由上述组成构成并且不含其它相。但是，根据应用，也可以制造出具有相似或者优异的超导性质的许多其它相似化合物。这些化合物可以具有不同于1∶2∶3的Y∶Ba∶Cu比例，并且它们也可以由Y或Ba以外的元素组成。因此这种化合物组成的一般命名可以写作M′xMyCu3O7-δ，其中M′一般可以是任意基本上为三价的离子或者离子的组合，并且M可以是任意基本上为二价的离子或者离子的组合。M′∶Cu、M∶Cu和M′∶M的比例也可以显著不同于1∶3、2∶3和1∶2的名义值。尽管还没有探索出全部的参数空间范围，但可合理地认为阳离子比例偏离名义组成高达50％的化合物仍可能是超导体，例如1∶6＜M′∶Cu＜1∶2、1∶3＜M∶Cu＜1∶1和1∶4＜M′∶M＜3∶4。但是，从1∶2∶3化学计量显著改变组成的确会影响组合物的特定性质，包括临界电流密度(Jc)、常态电阻率(ρ)、临界温度(Tc)和表面电阻(Rs)。
为了提供高的Tc值，一般优选Ba作为该二价元素，或者上面化学式中的M。许多元素对Ba的完全或者部分取代趋向于降低Tc或者完全破坏超导性。这些元素包括Sr，La，Pr和Eu.(Y.Xu，Physica C341-348，第613-4页(2000)及X.S.Wu，Physica C315，第215-222页(1999)。相似地，可以用Co、Zn、Ni等掺杂Cu原子，其大多数的作用是降低Tc，然而绝对作用(例如电荷转移或者Cu-O面上超导性的破坏)取决于Cu(1)或Cu(2)位置是否被影响。(Y.Xu，Phys.Rev.B第53卷，第22期，第15245-15253页(1996)。一些Y位置上的部分取代可能具有相似的作用，例如Ca、Ce和Pr(L. Tung，Phys.Rev.B第59卷，第6期，第4504-4512页(1999)及C.R.Fincher，Phys.Rev.Lett.67(20)第2902-2905页(1991))。但是，存在许多已知的对Y的部分或完全取代，这些取代导致与YBCO同样高或者更高的Tc值。这些已知取代中的许多来自于稀土族元素。通常，对于这些(RE)BCO化合物，具有较大离子半径的稀土元素产生更高的Tc值。(G.V.M.Williams，Physica C258，第41-46页(1996))。
尽管关键是在这些相关化合物可获得的组成范围内维持超导性的规定性质，然而我们的研究已经表明为了对特定的应用调节它们的性质可以改变这些组成显著偏离名义的1∶2∶3化学计量。例如，接近1∶2∶3的组成对于平滑薄膜表面具有极大重要性的多层或者有源器件应用是优选的。相反，对于RF应用的HTS膜的优化需要制备在具有最低的可能RF表面电阻(Rs)值和可实现的最低RF非线性度之间平衡的薄膜。这进而通常需要制造显著偏离1∶2∶3组成的(RE)BCO膜。
本发明的HTS薄膜为RF应用而优化，并且因此它们具有最低的可能RF表面电阻(Rs)值和最低的可能RF非线性度。为了实现这种优化，膜的组成具有名义化学式(RE)xBayCu3O7-δ，其中RE是前面定义的稀土元素之一，优选Dy，并且其中比例y∶x优选介于约1.5-1.8之间，更优选介于约1.55-1.75之间，并且最优选介于约1.6-1.7之间。
衬底
HTS材料的超导性质对它们的晶体完美程度是极其敏感的。这就对可以在其上面生长高品质HTS膜的适合衬底材料的选择提出了严格的限制。一些这些限制包括晶体结构、与生长工艺的相容性、化学相容性、与应用的相容性、以及性质所造成的其它要求。
或许最重要的要求是晶体结构。衬底必须与HTS膜具有恰当的晶格匹配，使得可以发生膜的外延生长并且形成良好取向的膜。不良的晶格匹配可能在膜中导致位错、缺陷和取向错误的晶粒。通常，为了满足这些要求衬底应当能够以单晶形式获得。
衬底必须能够耐受HTS化合物结晶所需的生长工艺期间的高处理温度。另外，为了在由生长温度或者从任何其它随后的热循环冷却循环期间防止膜的应变和破裂，需要结构完整性和与HTS膜的合理热膨胀匹配。
衬底必须是与(RE)BCO化学相容的、非反应性的并且在高温下向膜中的扩散最小。
衬底必须能够以对于HTS薄膜的预定用途足够大的尺寸获得。例如，某些无源微波电路或者大批量电子学应用需要大的衬底尺寸。对于这些应用直径2″的最小衬底是典型的，但是如果可以获得，则更大的尺寸通常是希望的。还可能需要衬底具有与实验测量技术或应用兼容的物理性质。对于大多数应用，衬底应该是稳定的、机械上坚固的绝缘体。其它要求可能包括对于透光测量的红外线透明、不干扰光谱测量例如卢瑟福背散射(RBS)或者能量色散X-射线分析(EDX)的组成元素或结构，以及在操作的目的温度下对于微波测量和应用的低的介电常数和损耗角正切。
少数单晶衬底的满足一些或所有这些需求。实例包括MgO、Al2O3、LaAlO3、NdGaO3、(La0.18Sr0.82)(Al0.59Ta0.41)O3和SrTiO3。后四个具有与(RE)BCO的优异的晶格匹配。但是，SrTiO3高的介电常数和损耗角正切使其对于微波应用是无用的。LaAlO3和NdGaO3在这个方面较好，尽管LaAlO3的问题在于它趋于孪晶化，并且在典型的处理温度下这些孪晶晶界可能形成并且变得移动。Al2O3是低损耗衬底并且可以以若干不同的取向和尺寸广泛获得。但是，它在高温下与(RE)BCO剧烈反应，需要使用适当的缓冲层。另外，Al2O3具有与(RE)BCO的不良热膨胀匹配，引起冷却时膜破裂的倾向。MgO具有相对低的损耗和与(RE)BCO的良好热膨胀匹配，使其成为RF应用的良好选择。但是MgO具有比上述其它实例大得多的晶格失配，使得必须非常谨慎以保证在MgO上生长的(RE)BCO膜是良好取向的。特别地，对于生长在MgO上的(RE)BCO膜相对常见的是包含面内旋转的晶粒和45°的晶界。(B.H.Moeckly，Appl.Phys.Lett.57，1687-89(1990)。必须最小化这些高角度晶界的量以获得良好的微波性能，特别是高的RF线性度。可制定某些MgO衬底表面处理用以帮助控制高角度晶界的数目，但是需要更大的努力来进一步抑制这些晶界的形成，特别是对于要求严格的RF应用。生长方法、生长条件并且特别是(RE)BCO膜的组成必须都被加以选择以便使MgO上生长的膜中45°晶粒的量最小化。
膜的形貌和显微结构
(RE)BCO的各向异性传输性质、其正交晶体结构及其小的超导相干长度意味着(RE)BCO膜肯定具有优异的晶体结构和取向。为了获得良好的微波性质尤为如此。因此，该膜必须基本上不含二次相，它们必须在面内(与衬底表面平行)以及面外(与衬底表面垂直)具有良好的外延。典型地，(RE)BCO的c-轴垂直于衬底表面排列。膜中所有晶粒都必须如此排列，并且它们必须相对彼此高度排列。典型地通过θ-2θX射线衍射扫描来表征这种晶体有序程度，其中要求只存在c-轴取向的(00l)光谱线，其具有窄的峰宽并且还具有所谓的ω-扫描、或者给定布拉格角度附近的摇摆曲线扫描的窄的峰宽。θ-2θ测量还检测到存在由膜内a-轴取向的晶粒引起的光谱线。也可以通过适当布拉格角度附近的χ-扫描来检测这些晶粒。
对于具有良好微波性质的薄膜，膜中a-轴晶粒的量理想是零，使得对于c-轴取向的膜，a-轴X-射线峰相对于c-轴X-射线峰的强度理想是零，并且优选远小于1％。另外，c-轴取向的晶粒还应该是面内取向的，意味着它们彼此并且与衬底晶体结构配准(registry)。相对总体的面内晶格结构旋转的晶粒导致非零度角的晶界。跨越该非零度角晶界，特别是高角度晶界和45°晶界的超导传输可能由于(RE)BCO的应变、高的氧迁移率和小的相干长度而劣化(B.H.Moeckly等，Phys.Rev.B47，400(1993)。Jc、Rs和RF非线性度全部受到这些高角度晶界存在的不利影响。这些旋转的晶粒和晶界的存在可以通过在适当布拉格角度附近进行的
-扫描X射线测量来检测。理想地，非排列(non-aligned)的
-扫描峰的量应该是零，并且优选小于排列(aligned)峰幅度的0.1％，更优选小于0.05％并且最优选小于0.02％。
图1显示了由我们制造并且为RF应用优化的几种700-nm厚的(RE)BCO膜的θ-2θ扫描。除了YBCO外，这些膜包括Er(EBCO)、Ho(HBCO)、Dy(DBCO)和Nd(NBCO)的替代物。X-射线扫描显示只存在(00l)峰，表明该膜是单相的并且是高度c-轴排列的，而且在膜中不存在a-轴取向的晶粒。注意到(RE)BCO膜的相对峰强度与YBCO不同，表明了不同RE离子半径的影响。图2显示了对于具有不同组成的几种(RE)BCO膜，(005)峰位置对Ba/RE比例的关系，表明这些膜略微不同的c-轴晶格参数。图3显示了这些膜的(005)峰的强度。图31显示了对于具有变化组成的DBCO膜，(005)峰的强度与Ba/Dy比例的关系。这些DBCO膜包括图3中所示的那些膜，但是不一定为RF性质而优化。此处，观察到对于由图中实线所示显著偏离符合化学计量比的DBCO膜组成所获得的高的峰强度，这代表了良好的结晶度。图4显示了对于几种(RE)BCO膜，(103)峰的代表性的
-扫描(左侧图)。注意到45°处不存在任何峰，表明不存在45°取向的晶粒和晶界。图5显示了我们的Dy-BCO薄膜之一的更高灵敏度的
-扫描。y-轴以对数刻度绘制，并且可以看出在相对主峰45°处只出现非常弱的峰。该扫描表明了这种膜没有高角度晶界的程度。45°处弱线的强度仅为最大中心峰的约0.012％，表明几乎没有晶粒不对准(misaligned)。这对于这些膜的RF性质的优化是重要的，最为特别是它们的RF非线性度。图4的右侧图显示了在(104)峰附近进行的(RE)BCO膜的χ-扫描；如图1中所示，这些扫描也证实不存在a-轴取向的晶粒。
典型地通过扫描探针轮廓测定法、原子力显微镜法(AFM)和扫描电子显微镜法(SEM)测量(RE)BCO薄膜的表面形貌。通常，尽管考虑到其它重要性质例如Jc和Rs的优化，可以容许一定程度的表面粗糙度，但是平滑的膜对于应用是优选的。此外，希望具有通过AFM测定的RMS表面粗糙度，即其是小于～10nm的。
图6-9显示了在5μm×5μm区域上的Dy-、Ho-、Er-和Nd-BCO膜的典型AFM图像。这些膜已经在它们的RF性质方面被优化。这些膜的RMS表面粗糙度是几纳米。图6显示了具有非常低RF非线性度的高-Q DBCO膜的表面形貌。可以看出该膜的晶粒尺寸是直径为大致2μm。我们还在这些膜的表面上观察到一些亚微米尺寸的颗粒，如图中的亮点可见。EDX分析表明对这些颗粒具有高的Cu信号，表明它们由氧化铜构成。图7的HBCO膜的晶粒具有更小、更方的外观，并且该膜一般没有CuO微粒。图8中描绘的优化的EBCO表面具有更小的晶粒尺寸，并且在此情况下也存在CuO微粒。图9的NBCO膜也是方形外观并且具有小于0.5μm的尺寸。这些优化的(RE)BCO膜的不同表面形貌一般是不同RE取代实现最佳RF性质所需要的不同组成和生长条件的反映。
膜的表征方法
还通过测量(RE)BCO膜的组成和它们的电学性质来进一步表征它们，包括dc电阻率(ρ)与温度的关系[p(T)]、Tc值和转变宽度、临界电流密度(Jc)以及RF表面电阻(Rs)。随后还将这些膜图案化成RF电路，对这些电路我们测量了空载品质因数(Q)值、互调失真(IMD)和非线性临界电流密度(JIMD)。
使用卢瑟福背散射能谱法(RBS)和感应耦合等离子体光谱法(ICP)测量本发明膜的组成。这些技术具有高的准确度和精度，尽管实现等于1％的1σ或2σ的测量精度是困难的任务并且需要比这些技术的标准情况更加仔细。在RBS分析技术中，使快的轻离子(典型为He离子或者α粒子)向样品加速；一些这些离子由于从样品内的原子核发生卢瑟福(库仑)散射而发生背散射，并且分析那些背散射粒子的能谱。离子能量典型地在几百至几千keV的范围内，并且背散射离子的能量取决于它与之碰撞的靶原子的质量。因此，背散射离子的能谱可以识别构成样品的元素及它们的比例(化学计量比)。另外，当入射离子穿过样品时，由于与电子的非弹性散射它们损失能量。这种能量损失是以已知的方式发生，因此允许确定样品组成与深度的关系。但是，对于厚膜，测量的组成元素的能谱峰可能重叠，要求仔细地拟合能谱来求得组成，并且这种方法涉及不确定性并且可能引入误差。因此，为了通过对每个峰下的计数数目进行简单计数来获得最高的准确度，必须使用足够薄的膜，使得由RE、Ba和Cu引起的峰完全分开。我们已经为此目的生长出足够薄的(RE)BCO膜，并且这些测量的结果已经表明组成准确度为2σ≤±1％。应注意这种测量技术是定量的并且不需要使用参比标准。
在ICP技术中，将这些薄膜在酸性溶液中消融(digest)，然后将其引入高温(高达10000℃)等离子体放电。等离子体使溶液中的组成原子离化并激发，并且当这些原子衰变至更低能态时，它们发射具有的特征波长可被高分辨光谱仪检测到的光。这就是所谓的ICP-AES(原子发射或光发射光谱)技术。因此，ICP允许同时测量多种元素。ICP-AES在水溶液中的检测极限典型在μg/L的水平。这种技术可能是非常准确和精确的；仔细测量可获得1σ＜±1％的准确度。该方法需要使用参比标准。其没有准确度极限与薄膜厚度间的关系，但是RBS有。因此，在测试我们的组成中，我们一起使用RBS和ICP。首先，我们对非常薄的膜进行仔细的RBS测量以便高准确度地测定它们的组成。然后，我们证实对这些相同样品的ICP测量结果与RBS数值一致。这就允许我们有把握认为较厚(RE)BCO膜的ICP-AES测量具有这种相同程度的所需准确度，即1σ＜±1％。
通过标准的四点探针技术测量dc电阻率ρ。高品质(RE)BCO膜的室温电阻率典型介于150和300μΩ·cm之间，尽管该值随RE元素和膜的组成而变化。图10显示了几种(RE)BCO膜的室温(300K)电阻率值与组成、具体为Ba/RE比例的关系。图32显示了几种DBCO膜的室温电阻率值与Ba/Dy比例的关系。这些DBCO膜包括图10中所示的那些膜，但是不一定为RF性质而优化。此处，观察到对于显著偏离符合化学计量比(在图中以实线表示)，特别是Ba/Dy比例介于约1.5-1.8之间的DBCO膜组成获得表示高品质膜的室温电阻率值，对于1.76的Ba/Dy比例获得了特别好的电阻率值。图11-14中显示了几种(RE)BCO膜的电阻率的温度依从关系。对于良好的膜，ρ的温度依从关系典型是线性或者略向下弯曲的，表示所谓的过掺杂行为，如这些曲线所示。ρ(T)的测量还用来确定转变到超导状态的(以温度计的)宽度和零电阻Tc值。图11-14的插图中显示了这些膜的超导转变区域的细节。(RE)BCO膜的Tc值典型介于87和91K之间(图11-13)，但是更高离子半径RE的取代可能具有高达95K的Tc值，如图14中关于NBCO膜所示。对于高品质的膜，从正常状态到超导状态的转变典型在0.5K内发生，如图所示。
通过本发明方法制备的(RE)BCO样品的Tc值对于Er、Y、Ho、Dy和Nd分别为88.5(5)、88.9(5)、89.2(5)、89.6(5)和94.5(8)K。沉积之后立即测量这些值。因为如通过R-T曲线的斜率所判断这些膜是氧过掺杂的，因此测量的Tc值略低于对这些化合物已知的最高值。图15绘出了对于我们的Ho-、Er-和Dy-BCO膜的不同组成的Tc值。图33绘出了对于另外DBCO膜的不同组成的Tc值。这些DBCO膜包括图15中所示的那些膜，但是不一定为RF性质而优化。可以看出即使对显著偏离符合化学计量(1∶2∶3)值的组成也获得高的Tc值，如竖直实线所示。
可以通过许多方式测量(RE)BCO薄膜的RF表面电阻，包括使用本体(未图案化)膜的谐振腔或平行板谐振器技术。典型在几百MHz和几十(10s)GHz之间的频率下测量Rs。还可以从各种图案化谐振器(例如微带、准集总元件等)的Q测量结果求得Rs。从这些结构的测量Q值求取Rs需要仔细模拟谐振器的性能以便确定几何参数ΓQ。Rs和Q之间的关系可以写作
其中ω0是谐振频率，ΓQ是只依赖于谐振器几何形状的参数，而Q是测量的谐振器的空载品质因数。求得的图案化结构的Rs值典型高于通过在RF谐振腔中直接测量本体膜所获得的Rs值。这可能是由于对膜进行图案化引起的，其可能引入会在Q测量中增加额外电阻RF损耗的缺陷。它还可能来自于通常在本体膜测量系统中不存在的ΓQ的不确定性或者微带谐振器电流密度的不均匀性。
器件性能表征
为了评价我们的(RE)BCO膜的RF性质并且为了确定这些材料用于微波滤波器应用的实用性，我们由这些膜制造了微波谐振器和滤波器。这些无源器件需要接地面因此需要沉积双面膜。使用标准的光刻加工和惰性离子刻蚀来图案化准集总元件谐振器。图16中显示了我们的试验谐振器的几何形状。对于图案化在MgO衬底上的(RE)BCO谐振器，通过测量这种标准试验谐振器(其在在77K下具有约1.85GHz的中心频率)的空载品质因数Qu来表征这些材料。对于每种(RE)BCO材料的一定范围的组成和生长条件测量Qu，并且优化每种材料的生长条件和组成来实现最大的Qu。我们已经表明对于Dy-BCO、Er-BCO、Ho-BCO和Nd-BCO薄膜，Qu值对于峰窝微波应用是足够的。事实上，对于700nm厚的膜，对于使用每种这些材料的我们的试验谐振器，我们已经实现了在1.85GHz，67K和-10dBm输入功率下超过40000的空载Q值。我们随后通过模拟谐振器几何形状的电磁场分布求得这些膜的Rs值。对于微波应用，1.85GHz和77K下的良好Rs值是小于～15μΩ，并且更优选小于～10μΩ，并且最优选小于约8μΩ。
图17显示了我们的(RE)BCO集总元件微波谐振器的空载Q与相对Ba/RE比例的关系。在67K和-10dBm输入功率下进行这些测量。这些膜的Qu值略低于我们的对YBCO膜所获得的最高Qs。在Ba/RE＝2处的虚线代表1∶2∶3化合物的符合化学计量值。可以看出从该比例获得最高的Q值。与利用YBCO膜获得的最高Qs相比，我们的Nd-BCO膜在67K下显示出更高的Qu值，达到80000(在该曲线中未显示)。在77K下，Nd-BCO膜的Q值可能超过YBCO的Q值。尽管数据中存在分散，但是图17中所示的所有三种材料的趋势是相似的。对于每种(RE)BCO膜存在Q最大的Ba∶RE比例的值，并且对于每种RE元素，对于偏离最大值的比例Q值按照相似的方式下降。图18显示了这些测量的Qu值与RE/Cu比例的关系，并且图19绘出这些数据与Ba/Cu的关系。虚线表示这些量的符合化学计量比例，并且两次观察到对于显著偏离这些名义比例的组成获得了高的Q值。表I显示了对于从我们的(RE)BCO膜制造的试验谐振器所获得的最大Qu值，在67K和77K下对-10dBm的输入功率进行测量。该表还显示了我们从这些Qu值计算的Rs值。
图27显示了对于所示各种DBCO薄膜的不同组成，空载品质因数(Qu)的附加数据与Ba/Dy比例之间的关系。这些DBCO膜包括图17中所示的膜，但是不一定为RF性质而优化。因此，尽管图17代表了在每种组成下可获得的最好Q值，但图27显示了每种组成下的Q值范围，因为膜的其它性质没有被优化，例如生长温度、膜厚、表面形貌或者结晶度。在67K的温度和-10dBm的输入功率下，对中心频率为约1.85GHz的集总元件RF谐振器测量这些Qu值。在Ba/Dy＝2处的实线代表1∶2∶3化合物的符合化学计量的值。再次观察到对于显著偏离符合化学计量比的组成获得最高的Q值，特别是对于介于约1.5-1.8之间的Ba/Dy比例，更特别是在约1.6-1.7比例附近达到峰值。图28显示了对于变化组成的DBCO薄膜，在77K的温度和-10dBm的输入功率下测量的空载品质因数(Qu)与Ba/Dy比例的关系。尽管在这个更接近Tc的温度下数据中存在更大分散，然而数据仍清楚地表明对于显著偏离符合化学计量比的组成获得最高的Q值，特别是对于介于约1.5-1.8之间的Ba/Dy比例，更特别是在1.6比例附近处达到峰值。
(RE)BCO滤波器的Q值可能随着增加输入功率而降低。(RE)BCO滤波器随着增加输入功率而维持高Q值的能力是高性能滤波器系统的重要要求。图29显示了对于由不同组成的DBCO膜制造的谐振器，在高(+10dBm)和低(-10dBm)的输入功率下测量的67K下的空载Q值的比例。高的Q+10dBm/Q-10dBm值表明更好的功率处理能力和优异的性能。可以看出随着DBCO组成进一步偏离符合化学计量值(Ba/Dy＝2)(由竖直实线表示)，获得越来越高的比例。图30绘出了对于几种变化组成的DBCO膜，在高功率至低功率下于77K测量的Q的比例。该图还显示了即使对于显著偏离符合化学计量值的组成也获得了优异的功率处理。
向(RE)BCO滤波器的输入功率水平也会通过产生不同量的互调失真而影响它们的性能，如下面所述。
我们通过在2″MgO衬底上生长薄膜并且将它们图案化成适于商业峰窝通信应用类型的10极滤波器电路来进一步评价这些材料。图20显示了滤波器设计的布局。调节(turn)滤波器，并且在插入损耗、回波损耗和带外阻通方面评价它们的性能。另外，我们使用这些10极滤波器来测量这些材料在它们的三阶互调失真(IMD)方面的非线性特性。图21中显示了该试验装置的方框图。对于这些测量，将两种不同的紧密间隔频率f1和f2下的相同功率的音调(tone)结合并且用于特定功率水平下的滤波器。这些输入音调的位置是带内，远离带边，或者接近带边。然后，在光谱分析仪中测量频率2f1-f2下的三阶混合产物的输出功率。这些频率下从滤波器的输出信号的大小是滤波器的RF非线性度的重要量度，并且决定了其对许多微波应用的适用性。互调失真的存在反映了超导薄膜的表面电抗Xs的电流密度依从关系(T.Dahm&D.J.Scalapino，J.Appl.Phys.81(4)，第2002-2009页)(1997)。相反，薄膜的表面电阻Rs中的非线性度将反映在滤波器插入损耗的增加中。这种类型的非线性度通常并不是超导薄膜在RF和微波滤波器应用中的限制因素。
我们利用三种IMD实验来评价我们的HTS薄膜材料对RF/微波滤波器应用的可应用性。
1.带内试验。在接近AMPS B通频带(835MHz至849MHz)中心处施加双音调输入信号。输入频率在每种-20dBm的功率水平下为f1＝841.985MHz和f2＝842.015MHz。在842.045MHz下测量互调寄生(spurious)产物。在滤波器的输出必须＜-105dBm下测量该频率的互调寄生产物功率。
2.近带试验。在851MHz和853MHz下施加等幅的输入信号，并且在849MHz下测量互调寄生产物功率水平。规格是在输出端具有-130dBm功率水平的AMPS B通频带中产生互调寄生产物的输入音调的最小功率水平。该输入功率水平必须＞-28dBm。
3.带外试验。在869.25MHz和894MHz下施加等幅的输入信号，并且在844.5MHz下测量互调产物。要求输入音调的最小功率水平使AMPS B系统通频带中的互调产物在滤波器的输出端达到-130dBm。该输入试验信号的功率水平必须＞-12dBm。
我们从几种(RE)BCO薄膜制造B-带峰窝微波滤波器，这些薄膜是通过向2″MgO衬底上原位反应共蒸发生长的。每个双面晶片产生两个滤波器，每个具有18mm×34mm的尺寸。图案化的(RE)BCO结构是在通频带任一侧上具有3对传输零点的准椭圆函数(quasi-elliptic)10极滤波器。图22显示了这种滤波器的典型响应。显示了双音IMD试验的频率位置。
图23显示了对于从优化的Dy-BCO膜图案化的几个10极B-带滤波器，在79.5K下测量的IMD值与Ba/Dy比例之间的关系。注意到所有测量的滤波器都满足由虚线表示的要求。图24和25显示了对于从优化的Ho-BCO和Er-BCO膜图案化的几个10极B-带滤波器，在79.5K下测量的IMD值与Ba/RE比例之间的关系。图26显示了对于从优化的Nd-BCO膜图案化的四个10-极B-带滤波器，在79.5K下测量的IMD值。
由于薄膜的微波表面电抗Xs的非线性度，HTS滤波器中产生互调失真。(R.B.Hammond et al，J.Appl.Phys.84(10)第5662-5667页(1998))。通常，在HTS薄膜中的高的微波电流密度下，Xs不再是常数并且与电流密度无关，并且开始随着增加的电流密度而增加。通常，存在最大的电流密度JIMD，在该电流密度下Xs保留其低的电流密度值，并且高于该电流密度时Xs增加。在Hammond等人的文章中，描述了测量的参数和材料参数JIMD之间的关系。该关系可以总结如下：
此处QL是谐振器的载荷品质因数，ω0是谐振频率，这两个函数与要实现的滤波器功能有关，ΓIMD是仅与谐振器几何形状有关的因数，并且PIN和POUT是互调测量的输入和输出功率。
带外IMD试验要求与HTS薄膜中的最小JIMD1×107A/cm2对应。该DBCO膜超过规格14dB，这在此处对应于因数5。因此，该DBCO膜具有5×107A/cm2的JIMD。对于滤波器应用，HTS薄膜中的JIMD必须＞1×107A/cm2，更优选＞2×107A/cm2，并且最优选＞3×107A/cm2。
制造方法
我们已使用原位反应共同蒸发(RCE)沉积技术(该技术已成功地用来制造大面积的YBCO HTS薄膜)生长出我们的(RE)BCO薄膜。这是一种适合于大批量膜制备和可制造性的制造技术。由通过RCE生长的膜制造的高性能微波滤波器的产率典型＞90％。这种生长方法的关键部分是使用内部维持大于～10mTorr的氧分压的辐射加热器。该加热器还包括允许使旋转衬底暴露于高真空下的窗口，在这里发生源材料的蒸发和沉积。我们的衬底典型是直径达2″的MgO单晶，其在300rpm下在窗口和氧化凹区(pocket)之间连续旋转。远离该凹区的腔室的环境压力是～10-5Torr。这种结构为高Tc相的稳定性提供了足够的氧压力，同时金属蒸发源不会氧化，并且蒸发的物质不会散射。从电子束源蒸发稀土元素Er、Ho和Dy，从电子束源或者电阻源蒸发Nd和Cu，并且从加热炉或者电阻源蒸发Ba。典型的沉积速率是
/秒。此处讨论的膜的沉积温度为760-790℃，并且膜厚为约700nm。除Nd-BCO外，将这些膜直接沉积到MgO衬底上，其现在需要薄的缓冲层以便实现最好的结果。
与容易熔化的钇不同，一些稀土元素例如Er、Ho和Dy在电子束蒸发期间升华，从而使组成控制更具挑战性。我们通常使用石英晶体监视器(QCM)作为我们主要的速率控制器。但是，在我们的蒸发速率下升华材料决不会熔化；相反，电子束在金属源材料中挖出孔洞，使得在沉积进行过程期间股流(plume)形状明显改变。因此，QCM不能正确地监视RE蒸气流的变化量。为了缓解这种困难，我们使用中空阴极灯(HCL)原子吸收(AA)蒸发流传感器来监视并控制这些升华材料。因为AA光束穿过蒸发物质的整个股流，所以这种技术可以更准确地监视蒸发流的量。
用来实现最佳结果的氧气凹区压力和沉积速率与我们已研究的(RE)BCO膜相似。我们已经发现对于Er、Ho、Dy和Nd最佳的衬底为温度分别是780、790、790和780℃。这些温度显著高于我们用来对YBCO实现最佳RF性质的760℃的温度。与YBCO相比，使用不同的生长条件对于(RE)BCO材料是必须的，以便实现非常最好的RF性质。例如，为了保证不存在有害的不对准晶粒，对于(RE)BCO材料通常需要比YBCO更高的生长温度。正如我们已经讨论的，组成也必须为此目的优化。通常，膜生长的许多方面都会影响(RE)BCO薄膜中的缺陷结构，从而影响RF性质，包括a)生长温度、b)生长速率、c)氧压力、及d)化学计量。(a)、(b)和(c)的特定选择可以产生不同的优化性质和不同的优化组成。
尽管为了清楚清晰和理解，已经通过举例说明和实施例对前述的发明进行了多少详细的说明，但是本领域普通技术人员容易理解根据本发明的教导可以对其做出一些改变和修改而不会背离附属权利要求的主旨和范围。
Claims (8)
1.一种超导制品，其包括：
衬底，及
位于衬底上的薄膜，该薄膜具有名义组成
RExBayCu3O7-δ，其中y显著小于2.1并且y/x的比例为1.65±10％。
其中RE是稀土，0＜δ＜1，并且其中在77K下JIMD＞1×107A/cm2。
2.权利要求1的制品，其中在77K下JIMD＞1.5×107A/cm2。
3.权利要求2的制品，其中在77K下JIMD＞3×107A/cm2。
4.权利要求1的制品，其中y显著小于2.1并且y/x的比例为1.65±6％。
5.权利要求1的制品，其中y显著小于2.1并且y/x的比例为1.65±3％。
6.权利要求1的制品，其中在77K下1.85GHz下的Rs小于15μΩ。
7.权利要求1的制品，其中通过反应共蒸发在衬底上沉积所述薄膜。
8.权利要求7的制品，其中所述薄膜具有＞87K的超导转变温度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |