CN101820046B - 一种超导本征结的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种本征结的制备方法，包括：(1)高温超导单晶生长；(2)剥离并固定超薄单晶于基片上；(3)超薄单晶选择及厚度确定；(4)本征结制备；其中，步骤(2)中，通过多次剥离BSCCO单晶薄片，将肉眼看不到的单晶碎片吸附于基片表面。步骤(3)根据需要选择合适大小和厚度的单晶用于本征结制备。本发明的优点是(1)采用了超薄的单晶，厚度远小于材料的穿透深度，从而可以有效的吸收被探测信号。同时薄超导单晶有助于本征结和基片之间的热扩散；(2)制备过程没有采用胶固定工艺，有助于超导材料和基片之间的热扩散；(3)单晶表面和基片之间的高度差仅为单晶本身厚度，从几十到几百纳米，和薄膜厚度相当。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导本征结的制备方法。
背景技术
超导本征结(Intrinsic Josephson junctions：IJJs)是利用超导材料天然层状结构之间的约瑟夫逊效应构造的一种天然的约瑟夫逊结阵。由于高温超导材料相干长度很短，目前尚无法用人工方法构造高温超导隧道结。本征结是目前为止唯一可实现的高温超导隧道结。所制作的方法，高温超导隧道结可以用于太赫兹信号源【R.Kleiner，Filling the Terahertz gap，Science 318，1254-1255(2007)】、高频信号检测【H.B.Wang et al，Phys.Rev.Lett.87，107002(2001)】以及量子电压基准【H.B.Wang et al，Appl.Phys.Lett.80，4060(2002)】等。
传统的本征结制备方法是首先采用普通剥离方法，获得一个大小约一个平方毫米的单晶薄片，典型厚度为50微米左右。然后将这样的单晶利用胶(电子绝缘胶Polyimide或环氧树脂Epoxy)粘于基片表面烘干固定(见图1)。利用这样的材料再使用微纳加工工艺，包括光刻、离子束刻蚀等，来制备超导本征结【L.X.You et al，Single intrinsic Josephson junctionfabricated from Bi2Sr2CaCu2O8+x single crystals，Chapter 7，edited by J.R.Tobin，ISBN 978-1-60021-848-4，Nova Science Publishers，2008】。这种方法存在着以下几个缺点：(1)单晶的厚度和材料的穿透深度相当，当器件用作探测器且信号从基片背面辐照时，该单晶基底会屏蔽信号从而降低探测灵敏度；(2)厚的单晶基底以及胶的存在会影响本征结和基片之间的热量扩散；(3)单晶平面和基片平面之间的高度差为单晶的厚度加上胶的厚度，此外单晶的平整度也无法保证，这使得微加工工艺的精度无法得到保障。本发明人设想如果能够有效的减小单晶的厚度，并避免使用胶，将会有效避免或减小上述问题的影响，从而引导出本发明的构思。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超导本征结的制备方法。具体地说，本发明预利用类似石墨烯剥离的方式，获得超薄的高温超导单晶材料。这种材料由于质量小，厚度薄，可以很好的吸附于各种光滑的基片表面。利用微纳加工工艺就可以在这种超导材料表面上构造高质量的本征结。
本发明所述的超导本征结的制备方法是：
(1)超导材料准备：选取高性能的超导单晶材料，比如Bi2Sr2CaCu2O8+x(BSCCO)，典型临界温度在约86K。将这样的单晶材料采用普通的剥离方式获得大小约一个毫米见方的单晶薄片，典型厚度为50微米左右。剥离可采用常见的Scotch胶带或者PE保护蓝膜。将这样的单晶薄片粘在一片胶带上，再利用另外一片胶带剥离，这样单晶薄片会一分为二，分别有部分位于不同的胶带上。利用这样的方法重复多次。多次剥离后，胶带/蓝膜上会有很多肉眼无法分辨的大小和厚度均不一的单晶碎片。将这样的胶带/蓝膜粘贴于基片表面再撕下，这样就会有很多单晶碎片粘附于基片表面。这个方法和石墨烯的机械剥离法类似，可参考有关文献【1、A.K.Geim，Science324，1530(2009)；2、K.S.Novoselov et al，PNAS 102，10453(2005)】。单晶和基片之间的作用力通常被认为是分子间作用力。这些单晶的碎片大小从几个微米到几十个微米不等，厚度从几个纳米到几百个纳米不等。所述的基片通常可以选择透明的MgO基片、蓝宝石基片或者石英基片，表面需要光学抛光，从而便于超导材料的吸附。
(2)保护和选择：利用热蒸发或者电子束蒸发的方法蒸发一层金属层以保护样品，通常可选择金，典型厚度为几十纳米到两百纳米。然后可以利用原子力显微镜或者形貌测试仪分析单晶碎片的厚度和大小。根据自己的需要选择合适大小和厚度的单晶用于本征结制备。通常选择边长为几十个微米大小的碎片，厚度为几十个纳米到两百个纳米。
(3)本征结的制备：通常采用传统的台式结构，a)首先利用普通光刻构造台面，再利用Ar离子束刻蚀方法，获得一个具有一定高度的台面。台面的高度由刻蚀时间和刻蚀速率决定；b)然后再次利用光刻和离子束刻蚀方法构造电极。电极的数量和大小根据测试需要决定。为了除去接触电阻和表面结的影响，通常在本征结台面上构造两个顶电极，本征结基底上构造两个底电极。从而可以利用四引线方式实现本征结的测试。
传统的超导本征结是采用一个较大的剥离的超导单晶薄片。这种薄片尺寸通常为～1mm×～1mm×～50um(厚度)，将这种单晶用胶固定在基片上，然后采用微纳加工工艺制备。传统的方法制备的器件受到胶和材料厚度的影响，器件到衬底的热扩散效果很差。此外几十微米厚的材料基地会屏蔽电磁波，从而影响器件作为探测器的性能。本发明公开了一种超导本征结制备方法。采用超薄单晶作为衬底。该单晶采用类似石墨烯的剥离方法，依靠分子间作用力吸附在衬底表面上。通过这种方式，可以获得厚度不大于200nm的超薄单晶。而该单晶具有和体材料一致的超导电性。典型的超薄单晶的边长通常可以达到几十微米。这样的尺寸足够超导本征结的制备。我们利用该方法制备了台式结构的本征结。本征结的性能测试显示该种方法制备的本征结典型电输运特性和厚衬底制备的本征结具有一致性。
由此可见，本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)采用了超薄的单晶，厚度远小于材料的穿透深度，从而可以有效的吸收被探测的信号。同时薄的超导单晶有助于本征结和基片之间的热扩散；(2)制备过程没有采用胶固定工艺，可以有助于超导材料和基片之间的热扩散。(3)单晶表面和基片之间的高度差仅为单晶本身厚度，从几十到一两百纳米，与薄膜的厚度相当。因此不存在和基片之间明显的高度差，有利于微纳加工工艺，特别是光刻工艺中精细图形的实施。
附图说明
图1：普通单晶固定于基片上的三维显微照片。图形下方平整部分为基片；上侧平整部分为超导单晶材料；中间部分为固定用电子绝缘胶。超导单晶表面和基片之间高度差约50微米，其包含单晶的厚度和胶的厚度。
图2：超薄单晶固定于基片上的AFM图。
图3：利用超薄单晶制备的一个超导本征结光学照片图。
图4：为图3制备的本征结的电流-电压特性曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例的介绍，进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步。
实施例1本发明所述超导本征结制备步骤是：
1、利用浮区法生长出高质量的高温超导BSCCO单晶，典型临界温度Tc＞85K；
2、利用胶带或蓝膜剥离获得大量碎片单晶并粘附于基片表面，其中一个单晶碎片原子力显微图片见图2；单晶和基片高度差约30nm，单晶边长约20微米；基片为透明MgO基片式蓝宝石基片；
3、在单晶表面上蒸发一层Au层，选择尺寸大于20微米×20微米的超导单晶薄片，典型厚度为30-200纳米。这样的超导单晶薄片可用于本征结制备；
4、采用光刻方法构造台式结构，台式结构大小根据本征结需要的面积确定。然后使用Ar离子束刻蚀，形成一定厚度的BSCCO台面。台面高度根据所需要的结的个数来确定。刻蚀速率通常为1-10nm/min，低速刻蚀可以避免过热从而影响结的性能。根据刻蚀速率和刻蚀时间便可以确定台面的高度。超声清洗方式去除残余的光刻胶。再蒸发一层Au层(厚度：50-150纳米)，光刻形成电极结构，离子束刻蚀形成有效电极图形。刻蚀速率同上。刻蚀时间根据需要的结的个数来确定。再采用超声清洗方式即可除去多余的光刻胶，从而形成带有电极结构的超导本征结(见图3)，图中中间一对细长型电极为台式结构上面的顶电极，左右各有一对面积较大的的电极均可以作为底电极。图4为所制备的本征结的I-V特性曲线，该曲线的不同准粒子分支具有很一致的临界电流，显示本征结中的结具有很好的均匀性。根据分支的数目可得出台式结构中共有8个结。
实施例2
所述的基片为石英基片，其余同实施例1。
Claims (9)
1.一种本征结制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)高温超导单晶生长；
(2)剥离并重复多次使超薄单晶碎片粘附于基片表面；剥离采用胶带或PE保护蓝膜，超薄单晶碎片边长为20微米；
(3)超薄单晶保护和选择；超薄单晶的保护是在其上蒸发一层金层，选择用于本征结制备的单晶边长为大于20微米大小的碎片，厚度为30纳米到200纳米；
(4)本征结的制备；
a)首先利用普通光刻构造台面；然后用Ar离子束刻蚀方法制备一个一定高度的台面；
b)再次利用光刻和离子束刻蚀方法构造电极，包括顶电极和底电极。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中所述的基片为透明的MgO基片、蓝宝石基片或石英基片。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于透明基片表面经光学抛光，以利于超导材料的吸附。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的胶带为scotch胶带。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)所述的单晶碎片粘附于基片表面与石墨烯的机械剥离相似。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的高温超导为BSCCO，Tc＞85K。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)中所述的Ar离子束刻蚀的速率为1-10nm/min。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)所述的金层厚度为50-150nm，是用热蒸法或电子束蒸发方法实施的。
9.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的顶电极和底电极利用四引线方式实现本征结的测试。
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