CN108447613B - 一种调控超导转变温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种调控超导转变温度的方法，采用具有“底电极/介质层/顶电极”的三明治结构，其中顶电极和/或底电极材料是超导材料，介质层材料是电致电阻转变材料；在顶电极与底电极之间施加电压，电极原子离化并进行迁移与还原反应，在介质层中形成具有超导性质的导电丝，调节电压使导电丝的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，构建超导纳米点接触；通过调节电压调控纳米点接触的尺寸，进而调控该纳米点接触的超导转变温度。该方法操作简单，可以原位调节超导转变温度，而且调控精确，并且选用不同的具有超导性质的电极材料，能够调控不同材料体系的超导转变温度。

Description

一种调控超导转变温度的方法
技术领域
本发明涉及纳米技术及超导材料领域，特别是涉及一种调控超导转变温度的方法。
背景技术
与块体材料相比，小尺寸材料具有独特性，例如纳米材料等，当材料尺寸缩小到一定尺寸时，会出现一系列与量子力学相位相关的现象，量子力学的基本规律在体系中会强烈的表现出来，因此小尺寸材料系统较宏观块体材料表现出独特的行为和物理特征，引起了研究领域和应用领域的强烈关注。
对于超导材料体系，当材料的尺寸减小至微米尺寸以下时，会受到体系相干长度以及穿透深度的影响，从而体系性质会发生变化，如超导转变温度、热稳定性、抗磁性和电阻率等。由于受到材料制备加工技术的限制，无法研究超导材料在小尺寸下体系性质的变化，近年来随着技术的发展，可以对小尺度的材料进行研究，这不仅有利于增加对超导物理基础的认识，而且对推动超导电子技术具有重要的意义。
目前已有人员采用纳微加工的方式调控超导材料的尺寸，进而对不同尺寸材料的超导转变温度进行研究，但这种方法材料制备较复杂、条件苛刻、材料选择范围窄、成功率低，且很难精确控制纳米结构及尺寸，导致材料性能受影响，很难实现对小尺寸下材料行为性质的精确调控和研究。
发明内容
针对上述关于超导转变温度的技术现状，本发明人在大量实验探索研究中采用超导材料作为纳米点接触的电极，通过调节不同电压值，构建得到不同尺寸的纳米点接触，测量其超导转变温度，发现在一定的纳米点接触尺寸范围内，不同尺寸的纳米点接触对应的超导转变温度不同，即，通过调控纳米点接触的尺寸能够调控超导转变温度。
即，本发明提供了一种简易调控超导转变温度的方法，采用具有“底电极/介质层/顶电极”的三明治结构，其中，顶电极和/或底电极材料是超导材料，介质层材料是电致电阻转变材料；
在顶电极与底电极之间施加电压，电极原子离化并进行迁移与还原反应，在介质层中形成具有超导性质的导电丝，调节电压使导电丝的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，构建超导纳米点接触；
通过调节电压调控纳米点接触的尺寸，进而调控该纳米点接触的超导转变温度。
所述的超导材料是具有超导性质的材料，包括但不限于Ti、V、Zr、Nb、Bi、Al、Sn、Cd、Pb等中的一种或两种。
作为优选，所述的超导材料为薄膜状态，作为进一步优选，其厚度大于零小于1微米。
所述的介质层材料具有电致电阻转变性质，其材料不限，包括半导体或绝缘体，例如ZnO、HfO2、TiO2、SiO2、Ta2O5等中的一种。
作为优选，所述的介质层材料为薄膜状态，厚度保证其不漏电即可。
作为优选，所述底电极位于衬底上，保护层位于顶电极上。
所述衬底不限，可为刚性衬底或柔性衬底。
所述保护层为惰性导电薄膜，包括但不限于Pt、Au等中的一种，其厚度保证顶电极不被氧化即可。
作为优选，N≥10；作为更优选，40≥N≥10。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)器件结构简单，可以精确控制纳米结构，调控操作简单，可以原位调节超导转变温度，而且调控精确；
(2)选用不同的具有超导性质的电极材料，能够调控不同材料体系的超导转变温度。
附图说明
图1是本发明实施例1中用于调控超导转变温度的“三明治”结构器件中形成超导纳米点接触的示意图；
图2是在图1所示的不同尺寸点接触结构对应的电导电压曲线；
图3是在图1所示的不同尺寸纳米点接触对应的超导转变温度曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，器件结构如图1所示，依次包括衬底、底电极、介质层、顶电极以及保护层。底电极位于衬底上，介质层位于底电极与顶电极之间，保护层位于顶电极上。
本实施例中，采用镀铂Si片，其中Si为衬底，Pt为底电极，底电极的厚度为150nm；顶电极采用超导金属Sn，其厚度为100nm；介质层采用氧化锌薄膜，其厚度为80nm；保护层采用惰性金属Pt薄膜，其厚度为2nm。
本实施例中，采用镀膜的方法制备该器件，包括如下步骤：
(1)将镀铂Si片分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10分钟，取出后用氮气吹干；
(2)将镀铂Si片放入磁控溅射真空腔体中，依次进行如下沉积：
(2-1)在氩氧比为4:1，气压为1Pa的气氛中，以氧化锌为靶材，用射频溅射的方法在铂底电极表面沉积一层厚度为80nm的氧化锌薄膜，溅射功率为60W；
(2-2)在气压为1Pa的氩气气氛中，Ar流量为100sccm，以Sn为靶材，在盖有掩膜板的氧化锌薄膜表面直流沉积一层直径为100um，厚度为100nmSn薄膜作为顶电极，直流溅射功率为25W；
(2-3)在气压为1.2Pa的氩气气氛中，以Pt为靶材，在顶电极上直流溅射沉积一层厚度为2nm的铂薄膜作为保护层。
使用Keithley 4200半导体参数测量仪对该器件进行如下电处理：
(1)起始态
起始态时，器件未加电，没有形成超导纳米导电丝，器件处于高阻态。
(2)施加电压形成超导纳米点接触
如图1所示，使用Keithley 4200半导体参数测量仪对器件进行操作，即给器件顶电极Sn施加正电压，使两电极之间形成导电丝；如图2所示，通过调节电压幅值，获得不同电导态的导电丝。同时，使用综合物性测量系统PPMS测量在各电导态下的超导转变温度，结果如下：
当电导小时，即纳米点接触尺寸小时，超导转变温度较低；当电导大于或者等于10G0小于40G0时，随着电导态变大，纳米点接触尺寸变大，超导转变温度总体呈现提高的趋势。因此，通过调节电压可调控纳米点接触的尺寸，进而可调控该纳米点接触的超导转变温度。
实施例2：
本实施例中，器件结构与实施例1中的器件结构基本相同，所不同的是顶电极采用超导金属Bi。
本实施例中，器件的制备方法与实施例1中的基本相同，所不同的是在步骤(2-2)中，以Bi为靶材，在盖有掩膜板的氧化锌薄膜表面直流沉积一层直径为100um，厚度为100nm的Bi薄膜作为顶电极，直流溅射功率为30W。
使用Keithley 4200半导体参数测量仪对该器件进行如下电处理：
(1)起始态
起始态时，器件未加电形成超导纳米导电丝，器件处于高阻态。
(2)施加电压形成超导纳米点接触
如图1所示，使用Keithley 4200半导体参数测量仪对器件进行操作，即给器件顶电极Bi施加正电压，使两电极之间形成导电丝；通过调节电压幅值，获得不同电导态的导电丝。同时，使用综合物性测量系统PPMS测量在各电导态下的超导转变温度，结果如下：
当电导态小时，即纳米点接触尺寸小时，超导转变温度较低；当电导大于或者等于10G0小于40G0时，随着电导态的变大，纳米点接触尺寸变大，超导转变温度总体呈提高趋势。因此，通过调节电压可调控纳米点接触的尺寸，进而可调控该纳米点接触的超导转变温度。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调控超导转变温度的方法，其特征是：采用具有“底电极/介质层/顶电极”的三明治结构，其中，顶电极和/或底电极材料是超导材料，介质层材料是电致电阻转变材料；
在顶电极与底电极之间施加电压，电极原子离化并进行迁移与还原反应，在介质层中形成具有超导性质的导电丝，调节电压使导电丝的电导G达到NG0，其中N为自然数，N≥10，G0为量子化电导，构建超导纳米点接触；
通过调节电压调控纳米点接触的尺寸，进而调控该纳米点接触的超导转变温度。
2.如权利要求1所述的调控超导转变温度的方法，其特征是：所述的超导材料包括Ti、V、Zr、Nb、Bi、Al、Sn、Cd、Pb中的一种或两种。
3.如权利要求1所述的调控超导转变温度的方法，其特征是：所述的介质层材料包括半导体或绝缘体。
4.如权利要求1所述的调控超导转变温度的方法，其特征是：所述的介质层材料包括ZnO、HfO2、TiO2、SiO2、Ta2O5中的一种。
5.如权利要求1所述的调控超导转变温度的方法，其特征是：所述的超导材料为薄膜状态。
6.如权利要求1所述的调控超导转变温度的方法，其特征是：所述的超导材料的厚度大于零小于1微米。
7.如权利要求1所述的调控超导转变温度的方法，其特征是：所述底电极位于衬底上，所述衬底为刚性衬底或柔性衬底。
8.如权利要求1所述的调控超导转变温度的方法，其特征是：保护层位于顶电极上，所述保护层为导电薄膜。
9.如权利要求1所述的调控超导转变温度的方法，其特征是：采用磁控溅射、电子束蒸发、溶液旋涂、喷墨打印中一种或两种以上的组合分别制备顶电极、底电极与介质层。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的调控超导转变温度的方法，其特征是：40≥N≥10。
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