CN117552095A - 一种三钌化铀超导单晶薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三钌化铀超导单晶薄膜及其制备方法和应用，包括如下步骤：步骤S1：将高纯铀块与钌单晶衬底相向放置在真空室内；步骤S2：将步骤S1中的高纯铀块在高真空条件下去除杂质；步骤S3：热蒸发、氩离子溅射或脉冲激光处理所述高纯铀块使得所述铀沉积至所述钌单晶衬底上并在一定温度下生长结晶，从而得到所述三钌化铀单晶薄膜。本发明通过上述步骤，成功制备出了三钌化铀超导单晶薄膜，为研究三钌化铀超导单晶的性质和应用奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及单晶制备技术领域，具体涉及一种三钌化铀超导单晶薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本申请公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
URu3(空间群：Pm-3m；晶格常数：α＝β＝γ＝90°)的多晶样品于1985年被首次制备，输运测量发现，该材料在常温下为泡利顺磁态，低温下具有超导性质，超导温度为0.145K，电子比热系数γ为12.4mJ/mole.K2。而对该材料的研究和了解就止步于此，1992年之后就再也没有其他研究手段对其进行研究，目前科学界对其电子结构、超导性质以及超导机理等物理性质一无所知。
由于Ru的熔点达到2334℃，URu3的多晶块体材料一般使用电弧熔炼的方法制备获得，目前未见URu3单晶块体样品制备的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前难以制备的URu3三钌化铀超导单晶，提供了一种三钌化铀超导单晶薄膜及其制备方法和应用，制备出了URu3单晶薄膜。
本发明的技术方案如下：
一种三钌化铀超导单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：将高纯铀块与钌单晶衬底相向放置在真空室内；
步骤S2：将步骤S1中的高纯铀块在高真空条件下去除杂质；所述杂质为氧化物等。
步骤S3：保持步骤S2中的高真空条件，热蒸发、氩离子溅射或脉冲激光处理所述高纯铀块使得所述铀沉积至所述钌单晶衬底上并在一定温度下生长结晶，从而得到所述三钌化铀单晶薄膜。
根据一种优选的实施方式，步骤S2中，去除高纯铀块氧化物等杂质的方式为：热蒸发铀块、氩离子溅射或脉冲激光处理铀块。
根据一种优选的实施方式，还包括步骤S4：对步骤S3所得的钌单晶衬底进行加热至大于1000℃并保温40min以上。
根据一种优选的实施方式，步骤S2中所述高真空条件为：真空度小于2×10-9mbar。
根据一种优选的实施方式，所述铀原子生长于所述钌单晶衬底的(001)晶面、(100)晶面、(110)晶面或其它特征晶面上。
根据一种优选的实施方式，所述钌单晶衬底为钌单晶块体或钌单晶薄膜。
一种三钌化铀单晶薄膜，采用如前所述的三钌化铀单晶薄膜的制备方法制备。
如前所述的三钌化铀单晶薄膜的应用。
与现有的技术相比本发明的有益效果是：
1、本申请提供了制备三钌化铀超导单晶薄膜的方法和制备出的三钌化铀超导单晶薄膜；为研究三钌化铀超导单晶的性能奠定了基础。
2、本申请还提供了三钌化铀超导单晶薄膜的应用方法。
附图说明
图1是本发明优选实施例制备的三钌化铀单晶薄膜的扫描隧道显微镜图；
图2是本发明优选实施例制备的三钌化铀单晶薄膜的原子分辨图；
图3是本发明优选实施例制备的三钌化铀单晶薄膜的低能电子衍射图案。
具体实施方式
面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步地详细描述。若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市售获得。
若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种三钌化铀超导单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：将高纯铀块与钌单晶衬底相向放置在真空室内，本实施例为将铀块装入一蒸发源，使得蒸发源的出口朝向所述钌单晶衬底表面；
步骤S2：将步骤S1中的高纯铀块(不小于99.9％)在超高真空条件下去除氧化物等杂质；
步骤S3：保持步骤S2中的高真空条件，加热蒸发源，使得所述铀原子沉积至所述钌单晶衬底上并在一定温度下生长结晶，从而得到所述三钌化铀单晶薄膜。
在本实施方式中，所述蒸发源中装填铀的容器为坩埚，所述蒸发源直接使用电子束对铀加热。
在本实施方式中，步骤S2超高真空条件的设置方式还包括：抽真空之后，还对所述反应腔室进行烘烤，以进一步提高所述反应腔室内的真空度。使所述反应腔室内的真空度小于2×10-10mbar。通过控制所述反应腔室内的真空度，避免所述钌单晶衬底和所述铀块被污染，使得铀原子可成功生长于所述钌单晶衬底上，提高所述三钌化铀单晶薄膜的质量。
根据一种优选的实施方式，步骤S2中，去除高纯铀块氧化物等杂质的方式为：热蒸发铀块。通过加热所述蒸发源使所述铀块的温度逐渐升高，从而使得铀块中的杂质从所述铀块中喷射飞出，最终将所述铀块中的杂质完全去除干净。
在本实施方式中，将所述钌单晶衬底在放置之前，先利用离子溅射退火的方法清洁所述钌单晶衬底以去除所述钌单晶衬底表面上的杂质，并使钌单晶衬底表面达到原子级平整。所述钌单晶衬底为钌单晶块体或钌单晶薄膜，以利于后续生长出较大面积的三钌化铀单晶薄膜。在本实施方式中，所述钌单晶衬底为钌单晶块体。
以钌单晶衬底的(001)晶面、(100)晶面或(110)晶面为例。当所述铀原子生长于所述钌单晶衬底的(001)晶面上时，制备出的所述三钌化铀单晶薄膜的晶面指数为(111)；当所述铀原子生长于所述钌单晶衬底的(100)晶面上时，制备出的所述三钌化铀单晶薄膜的晶面指数为(011)；当所述铀原子生长于所述钌单晶衬底的(110)晶面上时，制备出的所述三钌化铀单晶薄膜的晶面指数为(100)。
在本实施方式中，在所述钌单晶(001)衬底的温度维持于室温时，将所述铀原子蒸发至所述钌单晶衬底上。在蒸发结束后，进行步骤S4：加热所述钌单晶衬底至1100℃并保温40min以上，使得所述铀原子能够与所述钌单晶衬底充分反应。
制备出的三钌化铀单晶薄膜的性能参数如图1-3所示，请参阅图1，从图上可以看出，三钌化铀(111)为高质量的薄膜结构，单原子层的台阶清晰可见，平台面表面为原子级平整，从而可以得出制备的三钌化铀(111)为单晶薄膜结构，而不是多晶结构。
请参阅图2，从图上可知，所制备薄膜的原子排布与三钌化铀(111)的原子排布一致，面内晶格常数也和理论值a＝b＝0.56nm一致。
请参阅图3，从图上可以看出，三钌化铀薄膜的低能电子衍射图案为锐利的六角斑点，证明其晶面为(111)面，另外薄膜各个位置均显现为六角结构图案，表明制备的三钌化铀(111)单晶薄膜非常均匀单一，而不是多晶结构。
实施例2
实施例2是对实施例1的进一步改进；本实施例与实施例1的不同之处在于：在进行步骤S3前，首先加热所述钌单晶(001)衬底至1100℃，使得所述铀原子蒸发到加热后的所述钌单晶衬底上。然后使所述钌单晶衬底的温度保温在1100℃，且保温时间大于40min，以使得所述铀原子能够与所述钌单晶衬底充分反应。
当所述钌单晶衬底的温度为1100℃时，所述钌单晶中的钌原子的扩散动能较大，从而使得所述铀原子在所述钌单晶衬底上充分生长并结晶。通过控制所述蒸发源的温度以及所述铀块蒸发的时间来控制所述铀块蒸发到所述钌单晶衬底表面上的所述铀原子的量，进而可以有效控制所述三钌化铀单晶薄膜中的原子堆叠层数。
实施例3
实施例3是对实施例1的进一步说明。本实施例提供如实施例1或实施例2的制备方法制备出的三钌化铀单晶薄膜。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种三钌化铀超导单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将高纯铀块与钌单晶衬底相向放置在真空室内；
步骤S2：将步骤S1中的高纯铀块在高真空条件下去除杂质；
步骤S3：保持步骤S2中的高真空条件，热蒸发、氩离子溅射或脉冲激光处理所述高纯铀块使得所述铀沉积至所述钌单晶衬底上并在一定温度下生长结晶，从而得到所述三钌化铀单晶薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种三钌化铀超导单晶薄膜的制备方法，其特征在于，还包括步骤S4：对步骤S3所得的钌单晶衬底进行加热至大于1000℃并保温40min以上。
3.根据权利要求1所述的一种三钌化铀超导单晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述高真空条件为：真空度小于2×10-9mbar。
4.根据权利要求1所述的一种三钌化铀超导单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述铀原子生长于所述钌单晶衬底的(001)晶面、(100)晶面、(110)晶面或其它特征晶面上。
5.根据权利要求1所述的一种三钌化铀超导单晶薄膜的制备方法，其特征在于，钌单晶衬底为钌单晶块体或钌单晶薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种三钌化铀超导单晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，去除高纯铀块杂质的方式为：热蒸发、氩离子溅射或脉冲激光处理铀块。
7.采用如权利要求1-6任一项所述的一种三钌化铀超导单晶薄膜的制备方法制备出的三钌化铀单晶薄膜。
8.如权利要求7所述的三钌化铀单晶薄膜的应用。
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