CN110890434A - 一种铜氧基高温超导单光子探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜氧基高温超导单光子探测器及其制备方法，该单光子探测器包括自下到上依次设置的衬底、铜氧基高温超导微米线和介质薄膜反射镜，铜氧基高温超导微米线中设置有纳米孔阵列，铜氧基高温超导微米线上设置有金属纳米颗粒。该单光子探测器工作于液氮温度77K，液氮的使用和存储成本大大低于液氦装备，方便了单光子探测器的使用。探测器采用背面入射的工作方式，同时利用金属纳米颗粒的局域增强效应，不但提高了器件的光吸收率，而且还从整体上增强了对各个偏振方向入射光的探测效率。铜氧基高温超导单光子探测器的制备方法工作成本低、制备工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜氧基高温超导单光子探测器及其制备方法，属于光探测技术领域。
背景技术
超导纳米线单子探测器件(Superconducting Nanowire Single PhotonDetector，SNSPD)是一种重要的光子信号探测器，相比传统的半导体探测器，SNSDP响应速度快，背景噪音小，时间抖动小，并且覆盖了从可见光到红外波段。
在低温环境中，SNSPD处于超导态，对其加一偏置电流Ib(Ib略小于器件转换到正常态的转换电流Iswitch)使其进入工作状态。当单个光子或多个光子入射到超导纳米线上时，会打破形成超导状态的库珀电子对，形成大量的热电子，热电子的扩散形成局域热点，在偏置电流Ib的作用下，产生焦耳热，并使得纳米线形成有阻区，继而在器件两端产生一个快速的电压脉冲信号(即光子信号)，最终实现单光子探测。鉴于SNSPD的诸多优点，SNSPD已经大量应用在量子通信、量子光学、光纤传感等重要领域。
一般地，SNSPD器件的超导材料都是常规低温超导材料，如NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，中国专利文献CN104091883A公开了一种基于介质薄膜反射镜的超导纳米线单光子探测器，包括：衬底；全介质多层薄膜反射镜，结合于所述衬底表面；超导纳米线，结合于所述全介质多层薄膜反射镜表面。所述衬底包括硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，所述全介质多层薄膜反射镜包括交替层叠的SiO2层与SiO层、交替层叠的SiO2层与Si层、交替层叠的SiO2层与TiO2层、或者交替层叠的SiO2层与Ta2O5层，所述超导纳米线的材料包括NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi；但是该专利文献提及的以及类似的SNSPD器件都是基于低温超导材料的单光子探测器，需要工作液氦温度，即4K或者更低，而液氦的使用与存储不但成本高昂而且技术复杂，这都严重地限制了SNSPD的应用和推广。一个显而易见的解决方法是将高温超导材料(临界温度高于90K)制备成单光子探测器，这样可以使得探测器工作于液氮温度(77K)。但是高温超导材料特别是铜氧基高温超导材料都属于陶瓷，在纳米尺度上精确加工十分困难，这个因素影响了铜氧基高温超导材料在微纳电子器件中的应用。同时，超导纳米线单光子探测器件具有光吸收效率低，偏振选择性光吸收的缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种铜氧基高温超导单光子探测器，该单光子探测器能够实现在液氮温度(77K)工作，并且具有高的光吸收率和无偏振选择性光吸收的优势。
本发明还提供了一种铜氧基高温超导单光子探测器的制备方法，该方法成本低、制备工艺简单。
本发明的技术方案为：
一种铜氧基高温超导单光子探测器，包括自下到上依次设置的衬底、铜氧基高温超导微米线和介质薄膜反射镜，所述铜氧基高温超导微米线中设置有纳米孔阵列，所述铜氧基高温超导微米线上设置有金属纳米颗粒。
本发明中，铜氧基高温超导微米线能够使超导单光子探测器在77K的温度下进行工作，方便超导单光子探测器的使用。在铜氧基高温超导微米线上设置纳米孔阵列能够使微米线变成亚微米线(一百或者几十纳米)网状结构，(通有电流的)亚微米线吸收单光子或多光子后会形成有阻区，有阻区在电流焦耳热作用下扩大，最终使得整个微米线变为有阻区，产生脉冲电压，获得光子探测信号。金属纳米颗粒相当于微纳天线，对入射光的光场进行局域增强，等效于将空间内的光场分布局集中于金属颗粒表面，与之邻近的微米线材料对光的吸收也随之增加。传统的超导纳米线单光子探测器只对于偏振方向和纳米线平行的入射光有高吸收率。本发明中的微米线上有刻有纳米孔，形成了亚微米线构成的二维网状结构，其对任意偏振方向的入射光都有相等的吸收率。介质薄膜反射镜的反射提高了的入射光的吸收效率。
本发明提供的铜氧基高温超导单光子探测器的工作过程：在液氮77K，铜氧基高温超导探测器处于超导态，对其加一偏置电流Ib(Ib略小于器件转换到正常态的转换电流Iswitch)使其进入工作状态。入射光正对探测器的衬底，透过衬底，或者透过衬底以及微米线，入射光场会在纳米颗粒表面被局域增强，并被纳米孔之间的亚微米线吸收，进而打破形成超导状态的库珀电子对，形成大量的热电子，热电子的扩散形成局域热点，在偏置电流Ib的作用下，产生焦耳热，最终使得整个微米线形成有阻区，在器件两端产生一个快速的电压脉冲信号(即光子信号)，实现单光子探测。
根据本发明优选的，所述铜氧基高温超导微米线的材料为YBa2Cu3O7(YBCO)、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO)、HgBa2Ca2Cu3O8(HBCCO)中任一种。铜氧基材料的超导体是高温超导体，在液氮温77K下处于超导状态，而且这三种铜氧基超导材料的易于制备。
根据本发明优选的，所述铜氧基高温超导微米线中纳米孔阵列的占空比为0.1-0.8；优选的，所述铜氧基高温超导微米线中纳米孔阵列的占空比为0.5。
根据本发明优选的，所述纳米孔阵列为周期性排列的纳米孔或者随机分布的纳米孔；优选的，纳米孔阵列的周期为150-300nm。
根据本发明优选的，所述纳米孔阵列中纳米孔的形状为正方形、矩形、椭圆形、圆形中和多边形中任一种；优选的，所述纳米孔的大小为50nm～500nm。
根据本发明优选的，所述金属纳米颗粒的形状为金纳米球、金纳米棒、银纳米球、银纳米棒中的任一种。
根据本发明优选的，所述金属纳米颗粒的大小为20nm～200nm；优选的，所述金属纳米颗粒的大小为50nm。对于某一波长，金属纳米颗粒有一个特定尺寸可以使其达到最强的局域增强。对于可见光波段，50nm左右的金属纳米颗粒可以使大部分可见光得到增强。
根据本发明优选的，所述铜氧基高温超导微米线的宽度为0.2μm～5μm，厚度为4nm～40nm；优选的，所述铜氧基高温超导微米线的宽度为1μm，厚度为4nm。
根据本发明优选的，所述介质薄膜反射镜为交替层叠的低折射率介质层SiO2层与高折射率介质层SiO层、交替层叠的低折射率介质层SiO2层与高折射率介质层TiO2层、交替层叠的低折射率介质层SiO2层与高折射率介质层Si层中的任一种；高低折射率介质层和低折射率介质层的厚度均为入射波长的四分之一；所述介质薄膜反射镜中低折射率介质层、高折射率介质层的重复周期数为10-20。
根据本发明优选的，所述铜氧基高温超导微米线的形状为直线或弯折曲线。
根据本发明优选的，所述衬底为蓝宝石衬底、钛酸锶衬底、铝酸镧衬底中的任一种。
根据本发明优选的，所述衬底的厚度为300μm～500μm；优选的，衬底的厚度为300μm。
上述一种铜氧基高温超导单光子探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将衬底进行清洗；
(2)通过磁控溅射在衬底上沉积一层铜氧基高温超导薄膜，铜氧基高温超导薄膜生长完毕后，再进行退火处理；磁控溅射的技术成熟，而且成本低，与分子束外延技术相比，磁控溅射产量高，成本低。
(3)通过紫外光刻制备电极，再通过电子束曝光与反应离子刻蚀在铜氧基高温超导薄膜上刻蚀包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线；
(4)利用旋涂工艺，将含有金属纳米颗粒的溶液均匀分散在包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线的表面；旋涂工艺，技术简单，成本低廉，能将金属纳米颗粒均匀分散于微米线上，提高光吸收效率，能够有效避免在传统的超导纳米线单光子探测器的纳米线结构上旋涂金属纳米颗粒造成器件短路的问题。
(5)通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线上交替层叠沉积低折射率介质层和高折射率介质层。
根据本发明优选的，步骤(4)中，旋涂的速度为3500-4500r/s，旋涂的时间为25-35s；优选的，旋涂的速度为4000r/s，旋涂的时间为30s。
根据本发明优选的，步骤(2)中，磁控溅射的过程中衬底的温度保持在650-700℃，磁控溅射的时间为1-20min；在氧气环境中进行退火，退火的温度为350-450℃，退火的时间为10-30h；优选的，磁控溅射过程中衬底的温度保持在650℃，磁控溅射的时间为5min；在氧气环境中退火的温度为400℃，退火的时间为20h。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的超导单光子探测器采用铜氧基高温超导微米线作为超导材料，超导单光子探测器能够实现在液氮温度(77K)下工作，液氮的使用和存储成本大大低于液氦装备，方便了单光子探测器的使用。
2.本发明采用背面入射光子探测，通过在高温超导微米线上制备纳米孔，并在微米线上以及纳米孔内设置金属纳米颗粒，利用金属纳米颗粒的光场局域增强效应，并利用介质薄膜反射镜的反射，大大提高了的入射光的吸收效率，而且还从整体上增强了对各个偏振方向入射光的探测效率。能够有效的增加光吸收。
3.本发明中铜氧基高温超导薄膜在微米级别上制备铜氧基高温超导微米线，误差容忍度高，良品率高。
4.本发明的提供的一种铜氧基高温超导单光子探测器的制备方法工作成本低、制备工艺简单。
附图说明
图1为本发明提供的铜氧基高温超导单光子探测器的结构剖面示意图；
图2为现有技术中的一种正面入射结构的超导纳米线单光子探测器件的结构示意图；
图3为本发明提供的铜氧基高温超导单光子探测器的器件全局俯视示意图；
图4为本发明提供的铜氧基高温超导单光子探测器的局部俯视放大示意图；
图5为本发明提供的铜氧基高温超导单光子探测器在550nm波长光背入射下的光吸收二维分布；
图6为本发明提供的铜氧基高温超导单光子探测器的探测效率随偏压电流的变化的示意图；
图7为本发明提供的铜氧基高温超导单光子探测器的探测效率随偏振角度的变化的示意图；
图8为本发明实施例2提供的一种铜氧基高温超导单光子探测器的局部俯视放大示意图；
10、第一衬底；11、高反膜；111、SiO2薄膜层；112、Si薄膜层；12、超导纳米线；13、介质层；14、光栅结构；20、衬底；21、包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线；211、铜氧基高温超导微米线；212、纳米孔；22、金属纳米颗粒；23、介质薄膜反射镜；231、低折射率介质层；232、高折射率介质层。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种铜氧基高温超导单光子探测器，如图1所示，包括自下到上依次设置的衬底20、铜氧基高温超导微米线211和介质薄膜反射镜23，铜氧基高温超导微米线211中设置有纳米孔阵列，铜氧基高温超导微米线211上设置有金属纳米颗粒22。
本发明中，铜氧基高温超导微米线211能够使超导单光子探测器在77K的温度下进行工作，方便超导单光子探测器的使用。在铜氧基高温超导微米线211上设置纳米孔阵列能够使微米线变成亚微米线(一百或者几十纳米)网状结构，(通有电流的)亚微米线吸收单光子或多光子后会形成有阻区，有阻区在电流焦耳热作用下扩大，最终使得整个微米线变为有阻区，产生脉冲电压，获得光子探测信号。金属纳米颗粒22相当于微纳天线，对入射光的光场进行局域增强，等效于将空间内的光场分布局集中于金属颗粒表面，与之邻近的微米线材料对光的吸收也随之增加。传统的超导纳米线单光子探测器只对于偏振方向和纳米线平行的入射光有高吸收率。本发明中的微米线上有刻有纳米孔212，形成了亚微米线构成的二维网状结构，其对任意偏振方向的入射光都有相等的吸收率。介质薄膜反射镜23的反射提高了的入射光的吸收效率。
本发明提供的铜氧基高温超导单光子探测器工作过程：在液氮77K，铜氧基高温超导微米线探测器处于超导态，对其加一偏置电流Ib(Ib略小于器件转换到正常态的转换电流Iswitch)使其进入工作状态。入射光正对探测器的衬底20，透过衬底20，或者透过衬底20以及微米线，入射光场会在纳米颗粒表面被局域增强，并被纳米孔212之间的亚微米线吸收，进而打破形成超导状态的库珀电子对，形成大量的热电子，热电子的扩散形成局域热点，在偏置电流Ib的作用下，产生焦耳热，最终使得整个微米线形成有阻区，在器件两端产生一个快速的电压脉冲信号(即光子信号)，实现单光子探测。
而现有技术中的一种正面入射结构的超导纳米线单光子探测器件的结构示意图如图2所示，包括自上到下依次为第一衬底10、高反膜11、介质层13和超导纳米线12，超导纳米线12在介质层13中，介质层13的上部设置有光栅结构14，高反膜11为交替设置的Si薄膜层112和SiO2薄膜层111。现有技术中提供的低温超导纳米线单光子探测器，需要工作液氦温度，即4K或者更低，而液氦的使用与存储不但成本高昂而且技术复杂，限制了单光子探测器的推广和使用。
衬底20为蓝宝石衬底，衬底20的厚度为300μm。
铜氧基高温超导微米线211的材料为YBa2Cu3O7(YBCO)。
铜氧基高温超导单光子探测器的器件全局俯视示意图，如图3所示，铜氧基高温超导微米线211的形状为弯折曲线，铜氧基高温超导微米线211的宽度为1μm，厚度为4nm。
铜氧基高温超导微米线211中纳米孔阵列的占空比为0.5。占空比即纳米孔211占据高温超高微米线的体积的比例。
本实施例中为纳米孔阵列为二维四方结构周期性排列；纳米孔阵列的周期为180nm，如图4所示，纳米孔212为正方形，边长135nm，且正方形的四个角为半径为10-20nm的圆角。金属纳米颗粒22的形状为金纳米球，金属纳米颗粒22的直径大小为50nm。
介质薄膜反射镜23为交替层叠的低折射率介质层231SiO2层与高折射率介质层232SiO层，且最下层与包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线21接触的层为低折射率介质层231SiO2层。高折射率介质层232和低折射率介质层231的厚度均为入射波长的四分之一；介质薄膜反射镜23中低折射率介质层231、高折射率介质层232的重复周期数为10。
本实施例提供的一种铜氧基高温超导单光子探测器的制备方法，具体步骤如下：
(1)将衬底20进行清洗，步骤如下：放入丙酮清洗5分钟，再放入乙醇清洗5分钟，之后用去离子水清洗5分钟，最后用氮气吹干。
(2)通过磁控溅射在衬底20上沉积一层铜氧基高温超导薄膜，磁控溅射的过程中衬底20的温度保持在650℃，溅射的时间为5min；铜氧基高温超导薄膜生长完毕后，在氧气环境中，高温400℃进行退火20小时。
(3)通过紫外光刻制备电极，之后再通过电子束曝光与反应离子刻蚀在铜氧基高温超导薄膜上刻蚀出包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线21。步骤(3)涉及的技术与传统超导纳米线单光子探测器一样。首先在步骤(2)制备的铜氧基高温超导薄膜上旋涂光刻胶，在电子束曝光下将带有纳米孔阵列的微米线结构写入光刻胶，显影，在铜氧基高温超导薄膜上留下掩膜，将带有掩膜的铜氧基高温超导薄膜放入离子刻蚀设备，经过刻蚀把不需要的(没有掩膜保护的)铜氧基高温超导薄膜去掉，即得到带有纳米孔阵列的微米线结构。
(4)经过通用的旋涂工艺，将含有金属纳米颗粒22的溶液均匀分散于包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线21的表面。旋涂的速度为4000r/s，旋涂的时间为30s。其中50％金属纳米颗粒22位于高温超导微米线表面之上，50％金属纳米颗粒22位于纳米孔212之内。步骤(4)引入旋涂工艺，技术简单，成本低廉，能将金属纳米颗粒22均匀分散于微米线上，提高光吸收效率。传统的超导纳米线单光子探测器使用纳米线结构，线间距为几十纳米，如果使用旋涂工艺的金属纳米颗粒则容易造成器件短路，因此传统器件很难应用金属纳米颗粒这一技术来提高光吸收。
(5)通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线21上沉积交替层叠的低折射率介质层231与高折射率介质层232。最下层为低折射率介质层231与包含纳米孔阵列的高温超导微米线接触的层。
基于上述对器件物理参数的设置进行仿真模拟，并将背入射的光设置为可见光550nm。仿真模拟的结果如图5所示，横坐标和左侧纵坐标表示二维范围内的尺寸大小，右侧纵坐标表示光吸收率，自下到上对应颜色自浅到深，表示吸收率由0增加到1，可见在纳米孔212附近，光吸收很容易达到100％。
将本实施例制备的铜氧基高温超导单光子探测器，在550nm波长光背入射下进行测试探测效率，测试结果如图6所示，横坐标为偏压电流，单位为毫安，纵坐标为探测效率，单位为％。随着偏置电流逐步增加，探测效率达到82％并饱和，探测效率未达到100％是因为将光由光源耦合至超导探测器的过程中有损耗，此损耗不在本发明涉及范围之内。
将本实施例制备的铜氧基高温超导单光子探测器，在不同偏振方向的入射光下，测试铜氧基高温超导单光子探测器的探测效率，如图7所示，图中横坐标为偏振角度，单位为°，纵坐标为探测效率，单位为％。当偏置电流为1.0毫安时，将入射光的偏振角度由0°逐步调节至90°，探测效率基本没有变化，可见本发明提供的铜氧基高温超导单光子探测器对所有偏振方向的入射光均有较高的吸收效率，具有无偏振选择性光吸收的优势。
实施例2
根据实施例1提供的一种铜氧基高温超导单光子探测器及其制备方法，其区别之处在于：
衬底20为钛酸锶衬底，其厚度为500μm。高温超导微米线的材料为Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO)。
铜氧基高温超导微米线211的形状为螺旋曲线，高温超导微米线的宽度为5μm，厚度为40nm；如图8所示，纳米孔212的形状为椭圆，长轴为130nm，短轴为70nm，纳米孔212构成的阵列为二维六方结构周期性排列，周期长度为230nm。
金属纳米颗粒22为直径50nm的银纳米球。
介质薄膜反射镜23包括交替层叠的低折射率介质层231SiO2层与高折射率介质层232TiO2层，且最下层与包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线21接触的层为低折射率介质层231SiO2层。每一介质层厚度为此介质中入射波长的四分之一，低折射率介质层231、高折射率介质层232的重复周期数为20。
实施例3
根据实施例1提供的一种铜氧基高温超导单光子探测器及其制备方法，其区别之处在于：
衬底20为铝酸镧衬底，铜氧基高温超导微米线211的材料为HgBa2Ca2Cu3O8(HBCCO)。
金属纳米颗粒22的形状为金纳米棒，金纳米棒的长度为50nm,金纳米棒的端面直径为50nm。
介质薄膜反射镜23包括交替层叠的低折射率介质层231SiO2层与高折射率介质层232Si层，且最下层与包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线21接触的层为低折射率介质层231SiO2层。每一介质层厚度为此介质中入射波长的四分之一，低折射率介质层231、高折射率介质层232的重复周期数为15。
Claims (10)
1.一种铜氧基高温超导单光子探测器，其特征在于，包括自下到上依次设置的衬底、铜氧基高温超导微米线和介质薄膜反射镜，所述铜氧基高温超导微米线中设置有纳米孔阵列，所述铜氧基高温超导微米线上设置有金属纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种铜氧基高温超导单光子探测器，其特征在于，所述铜氧基高温超导微米线的材料为YBa2Cu3O7(YBCO)、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO)、HgBa2Ca2Cu3O8(HBCCO)中任一种。
3.根据权利要求1所述的一种铜氧基高温超导单光子探测器，其特征在于，所述铜氧基高温超导微米线中纳米孔阵列的占空比为0.1-0.8；优选的，所述铜氧基高温超导微米线中纳米孔阵列的占空比为0.5。
4.根据权利要求1所述的一种铜氧基高温超导单光子探测器，其特征在于，所述纳米孔阵列为周期性排列的纳米孔或者随机分布的纳米孔；所述纳米孔阵列中纳米孔的形状为正方形、矩形、椭圆形、圆形中和多边形中任一种；优选的，纳米孔阵列的周期为150-300nm；所述纳米孔的大小为50nm～500nm。
5.根据权利要求1所述的一种铜氧基高温超导单光子探测器，其特征在于，所述金属纳米颗粒的形状为金纳米球、金纳米棒、银纳米球、银纳米棒中的任一种；所述金属纳米颗粒的大小为20nm～200nm；优选的，所述金属纳米颗粒的大小为50nm。
6.根据权利要求1所述的一种铜氧基高温超导单光子探测器，其特征在于，所述铜氧基高温超导微米线的宽度为0.2μm～5μm，厚度为4nm～40nm；优选的，所述铜氧基高温超导微米线的宽度为1μm，厚度为4nm。
7.根据权利要求1所述的一种铜氧基高温超导单光子探测器，其特征在于，所述介质薄膜反射镜为交替层叠的低折射率介质层SiO2层与高折射率介质层SiO层、交替层叠的低折射率介质层SiO2层与高折射率介质层TiO2层、交替层叠的低折射率介质层SiO2层与高折射率介质层Si层中的任一种；高低折射率介质层和低折射率介质层的厚度均为入射波长的四分之一；所述介质薄膜反射镜中低折射率介质层、高折射率介质层的重复周期数为10-20。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种铜氧基高温超导单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将衬底进行清洗；
(2)通过磁控溅射在衬底上沉积一层铜氧基高温超导薄膜，铜氧基高温超导薄膜生长完毕后，再进行退火处理；
(3)通过紫外光刻制备电极，再通过电子束曝光与反应离子刻蚀在铜氧基高温超导薄膜上刻蚀包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线；
(4)利用旋涂工艺，将含有金属纳米颗粒的溶液均匀分散在包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线的表面；
(5)通过等离子体增强化学气相沉积在包含纳米孔阵列的铜氧基高温超导微米线上交替层叠沉积低折射率介质层和高折射率介质层。
9.根据权利要求8所述的铜氧基高温超导单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，旋涂的速度为3500-4500r/s，旋涂的时间为25-35s；优选的，旋涂的速度为4000r/s，旋涂的时间为30s。
10.根据权利要求8所述的铜氧基高温超导单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，磁控溅射的过程中衬底的温度保持在650-700℃，磁控溅射的时间为1-20min；在氧气环境中进行退火，退火的温度为350-450℃，退火的时间为10-30h；优选的，磁控溅射过程中衬底的温度保持在650℃，磁控溅射的时间为5min；在氧气环境中退火的温度为400℃，退火的时间为20h。
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