（信号与信息处理专业论文）基于平行板法的高温超导薄膜的表面电阻的测试研究.pdf

摘要 摘要 高温超导技术由于其优越性而越来越得到广泛的应用。特别是随着高温超 导薄膜制备技术的不断提高，使得其在电子信息等领域中的应用日订景越来越被 人们看好。高温超导薄膜的微波表面电阻是衡量薄膜质量的一个重要参数指标。 因此，用什么方法去测量高温超导薄膜的微波表面电阻就显得尤为重要。目前， 世界上很多国家都在进行这方面的研究。 本文详细介绍了用平行极法测量高温超导薄膜表面电阻的原理，建立了测 试腔的模型，并对该模型进行仿真和分析。其中分别对空腔和加入平行板谐振 器的腔两种情况进行了仿真分析，对其s 系数曲线图进行了对比及优化，得到 了比较理想的隔片厚度尺寸和具体的耦合探针位置，并根据该优化结果设计了 测试腔的加工方案，并制作出了测试腔，经实测与仿真效果吻合。 本方法从开始研究至今，经历多次反复的仿真实验，解决了这种方法的耦 合难的问题，成功使平行扳谐振器产生了谐振效果，并把平行板谐振器的谐振 频率降低到了4 7 g h z ，使得在低频率的矢量网络分析仪上对高温超导薄膜的测 量得到了实现。 关键词：高温超导薄膜；平行板谐振器；表面电阻；是。系数 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h - t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v i t yt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e dt o d a yb e c a u s e o fi t ss u p e r i o r i t y e s p e c i a l l yw i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f h i g h t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i n gt h i nf i l mt e c h n o l o g y , i th a sa no p t i m i s t i cp r o s p e c to fb e i n gw i d e l y u s e di nt h ee l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n f i e l d h i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gt h i n f i l m s 。m i c r o w a v es u r f a c ei m p e d a n c ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nj u d g i n gq u a l i t yo f t h ef i l m t h e r e f o r e ，t h em e t h o dt om e a s u r eh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o rt h i n f i l m s m i c r o w a v es u r f a c ei m p e d a n c ep l a y sa n i m p o r t a n tr o l e a tp r e s e n t ，s u c h r e s e a r c h e si nt h i sr e s p e c ta r ec a r r i e do ni nm a n yc o u n t r i e so v e rt h ew o r l d t h i sp a p e rp a r t i c u l a r l yp r e s e n t st h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n gh i g h t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o rt h i nf i l m s m i c r o w a v e r e s o n a t o r s ，b u i l d st h em o d e lo ft h et e s t e d t h es i t u a t i o no ft h ec a v u ma n dt h ea d d e d s u r f a c e i m p e d a n c ew i t hp a r a l l e lp l a t e c a v i t y , s i m u l a t e sa n da n a l y z e st h i sm o d e l c a v i t yo ft h ep a r a l l e lp l a t er e s o n a t o ra r e b o t hs i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h ee x p e r i m e n t ，a n dt h e n 是l c o e f f i c i e n tg r a p h sa r e c o m p a r e da n do p t i m i z e d t h e nt h ei d e a lt h i c k n e s so fs e p t aa n dt h eo p t i m u mi n s e r t e d d e p t ho ft h ep r o b eh a v eb e e ng o t ，a n da c c o r d i n gt ot h i sr e s u l tt h et e s t e dc a v i t yi s d e s i g n e d f i n a l l y , t h et e s t i n gc a v i t yh a sb e e np r o d u c e da n dt h et e s t i n gr e s u l ti n p r a c t i c em a t c h e st h es i m u l a t i o nr e s u l t r s i n c et h ep r o j e c tw a se s t a b l i s h e d ，t h i s m e t h o dh a sb e e nc o n t i n u o u s l v e x p e r i m e n t e dt h r o u g hs i m u l a t i o nf o rm a n yt i m e s ，s o l v i n gt h ed i f f i c u l t yp r o b l e mo f c o u p l i n g ，s u c c e s s f u l l ym a k i n gt h ep a r a l l e lp l a t er e s o n a t o rp r o d u c ear e s o n a n te f f e c t ， l o w i n gt h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h ep a r a l l e lp l a t er e s o n a t o r st o4 7g h z ，a n d a c h i e v i n gt h eg o a lo fm e a s u r i n gh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gt h i nf i l m so n m i c r o w a v ev e c t o rn e t w o r ka n a l y z e rw i t hl o w f r e q u e n c y k e yw o r d s ：h i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o rt h i nf i l m s ；p a r a l l e lp l a t er e s o n a t o r s ； s u r f a c ei m p e d a n c e ；ic o e f f i c i e n t h 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：硅愿 签字日期：2 蛹年) 2 月2 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：声堤导师签名：襄热琏 签字日期：乏确年l 狷t 1 日 签字日期： 淌年i - - j 弓之1 日 第1 章引言 1 1 超导研究的发展概况 第1 章引言 1 9 0 8 年，荷兰莱顿大学的物理学家卡术林昂尼斯和他的学生成功将氦气液 化，并达到了当时地球上所能达到的最低温度4 2 k 。接着他们又着手研究在这 样的低温环境下物质显出的特性，在1 9 1 1 年，昂尼斯在测量h g 的电阻随温度 的变化时，惊奇的发现水银的电阻在4 2 k 附近突然降为0 ，从而首次观测到了 超导现象，这一发现导致了超导物理学的诞生，昂尼斯也因此获得了1 9 1 3 年的 诺贝尔物理奖。 在1 9 1 3 年，昂尼斯发现超导现象之后，他敏锐地认识到：如果利用超导材 料制成一个线圈，因为没有电阻的缘故，当电流通过时就不会产生任何热量， 这样就可以在不损耗能量的情况下获得一个很强的磁场，但是实验发现当线圈 中的电流产生的磁场达到一定程度时，超导体就会突然变成f 常的导体，恢复 原来的电阻值。科学家们把这个破坏超导性的磁场值和电流值分别称为临界磁 场和临界电流。3 0 年代仞，科学家们发现了一种特殊的超导现象：有一些合会 超导材料临界磁场值很高，而且有两个临界点，当外磁场达到第一个临界值时， 超导体内的磁感应强度已经不为零，但是其电阻仍为零；而当外磁场达到第二 个临界值时，电阻才不为零，超导特性消失，恢复到正常态。但是，在而后的 1 0 多年里没有人在这方面进行更深入的研究。到了19 4 7 年至1 9 5 3 年间，前苏 联科学家朗道和他的学生阿布里科索夫运用量子力学的理论对超导现象进行研 究，他们对这些合金类超导体进行计算，在计算中发现：这些超导体在第一个 临界值和第二个临界值之i 瑚有一个“混合态”，在这种状态的超导体内，一些小 区的磁感应线按一定的几何图形有规律的排列，这些小区是讵常区，但是这些 小区的周围仍保持超导态，这就证实了确实存在一种新的超导体，这种超导体 有别于只有一个临界值而电阻磁场都同时为零的第一类超导体，因此把他称作 第二类超导体。在第一类超导体中，电流通过的时候由于超导体内没有磁感应 线，因此电流只在超导体的表面流过，所以临界磁场值和临界电流值都很低， 第一类超导体的使用价值不大。在第二类超导体中，由于有两个临界值，只有 第1 章引言 当磁场达到第二个临界值时，超导现象才消失，所以第二类超导体的临界值比 第一类超导体的临界值一般要高的多，而且人们发现如果把第二类超导体故意 做得有一点缺陷，还可以把临界值提的更高，第二类超导体给超导体的实际应 用带来了很大的希望。 高温超导材料的发现，使超导技术研究上了个台阶。一直到1 9 8 5 。超导 转变温度的最高记录仍然是化合物n b 3 g e ，其转变温度为2 3 2 k ，这是1 9 7 3 年 创下的记录，十二年来毫无进展，这就限制了超导的应用和实验只能足在液氦 温区。1 9 8 6 年，i b m 公司苏黎世实验室的j g b e d n o r z 和k a m u l l e r 宣布发现 了高临界温度的新型铜氧化物超导体( b a l a c u o ) ，其临界转变温度为3 0 k 以上。这一突破引发了全世界范围的高温超导研究的热潮，国际国内都投入大 量的资金和人力。1 9 8 7 年，美围休斯顿大学的朱经武小组及中科院物理所的赵 忠贤小组在西半球和东半球分别发现了钇钡铜氧( y b a c u o ) 超导体，其临界 转变温度超过了9 0 k ，进入了液氮温区( 7 7 k ) 。随后铋系和铊系的氧化物超导 体相继问世，进一步提高了转变温度。至今，已发现了大量的铜酸盐高温超导 化合物薄膜。他们的超导临界转变温度( z ，) 从1 8 k 至1 3 5 k 变化，并制成了 许多材料的外延薄膜。虽然乃离室温相差还比较远，但由于氮气资源丰富，所 以超导研究的成本大大降低，超导的应用开始引起人们的重视。可以认为高温 超导材料的研制成功使人们摆脱了低温超导研究中所需的庞大复杂而且价格昂 贵的制冷系统，向着实际应用迈丌了极其重要的一步。 高温铜氧化物超导体的发现，不仅在超导温度上是一个大的突破，而且为 超导材料的探索丌辟了一个新的领域，他所具有的一系列的奇特性质( 包括异 常高的z ) 也为超导工作者提出了许多新的问题。几十年来曾不断证明在非常 广泛的材料中是正确的理论，在高温超导体面自订受到了严重的挑战，同时也丰 富和深化了人们对强关联及磁有序等凝聚态物理中重要问题的认识【o ，2 1 。 总体来说，当前各国超导的研究方向主要有： 1 提高高温超导材料的临界转变温度。 2 研究寻找合适的高温超导的微观机理。 3 研制更加实用化的高温超导材料和器件。进一步提高高温超导薄膜的 z ，降低其表面电阻r 。，提高超导薄膜的均匀性和稳定性，降低成本。 2 第1 章引言 1 2 超导技术的优越性 和常规器件相比，超导电子器件具有以下优点【3 】： ( 1 ) 极高的灵敏度。超导量子干涉器( s q u i d ) 钡, f l 量微弱磁场，灵敏度可比常 规器件高1 2 个数量级。这使它在生物磁性测量、寻找矿藏等领域将发挥巨大 的作用。 ( 2 ) 极低的噪声。超导电子器件的热噪声比最好的常规器件低1 0 0 倍。 ( 3 ) 特别宽的频带范围。超导电子器件可以从直流到3 0 0 g h z 的范围内很好 地工作。 ( 4 ) 超高速。超导逻辑器件的开关时| 、日j 只取决于结的容抗，可达到1 0 _ o 秒。 ( 5 ) 极低的功耗。超导开关电路一次快速开关期间消耗的能量小于1 0 一3 焦 耳。 ( 6 ) 小型化。超导天线的增益比常规天线提高了9 d b ，而且其尺寸却小得多。 ( 7 ) 高可靠性。超导电子器件工作在低温区，噪音低损耗小，可以无畸变 地存储和传输电磁信号。 在超导的应用上所具有的优点： f 1 ) 省电的超导线路。现在普通的输电线路线相当复杂，发电厂的电必须 经升压站升压到几十万伏才能向外输送且必须经降压后供用户使用，因为电路 上有一定的电阻，当电流流过时电路发热的功率为p = 1 2 r ，为了减小电路的发 热功率，就要减小输电电流，因此，根据p = u i 可知，必须升高电压。如果使 用超导线路，线路上不会发热，只有极低电能损耗。这样，从发电厂发出的电 就可直接接上线路输出。 ( 2 ) 超导磁悬浮列车。在超导磁悬浮列车的研究中走在f j 面的是日本，1 9 6 2 年，日本着手设计磁悬浮列车，但当时是利用正常导体产生磁场，时速达到 3 0 7 8 k m 。1 9 9 7 年，日本又试制了超导磁悬浮列车，关键部分是由两组超导电 磁体构成的，超导电磁体能提供极强的磁场，产生很大的磁场力使列车悬离地 面并向前前进。这种超导磁悬浮列车不仅节省电能，而且速度非常快，时速可 达5 0 0 k m 。 ( 3 ) 优越的超导电子器件。由于超导薄膜材料的损耗在微波波段比常规材 料低两个数量级，而高温超导薄膜可以采用微带技术对高温超导微波、毫米波 电路进行单片集成，可以使系统做到噪声极低、损耗极小、色散极小。而体积、 3 第1 章引言 重量、成本都将成数量级地降低。 ( 4 ) 精密的超导仪器。在许多精密的仪器中，例如核磁共振仪，电子显微 镜等对磁场都有非常严格的要求：磁场强度高、稳定性能好、磁感应线均匀等， 有时还要求很大的尺度，例如大型回旋加速器中的磁场，普通的材料很难达到 要求。 ( 5 ) 超导计算机。把超导技术应用于计算机将使计算机科学发生一次重大 的革命。理论研究表明：应用约瑟夫森效应制成超导器件，其开关速度可以比 当自订使用的半导体集成电路快十几倍二十几倍，而且它消耗的电能只有现 在普通计算机的1 1 4 1 。 1 3 高温超导薄膜的发展史 自世界范围的高温超导( h t s ) 体研究热潮出现后，作为高温超导体的一种应 用，高温超导薄膜成为电子材料研究领域中的一个热门课题。至今，己发现了大 量高温超导相化合物薄膜，它们的超导临界转变温度( z ) 从1 8 k 至1 3 5 k 变化， 制成了许多材料的外延膜。尽管对这些材料的超导机理并未能完全了解，对这些 复杂的氧化物在材料科学方面的问题有待继续研究，在科学家和工程师的共同 努力下，h t s 正迅速发展成为一种技术和产业。h t s 薄膜的潜在应用很广，包括 射频( r f ) 和微波通讯用的高频电子学、极弱磁场探测用的超导量子干涉器件 ( s q u i d ) 。 在1 9 8 6 年以前，具有最高z 。超导体是n b 3 g e ，它的z ，是2 3 2 k 。但大部分 薄膜器件的发展工作是在两种较低z 的材料即正= 9 2 k 的n b 和z ，= 1 7 3 k 的 n b n 上，因为它们较易制成薄膜或结。虽然，z ，是一个重要参数，但是许多其 他因素，根本上决定了一种材料能否应用于实际。 1 9 8 6 年b e d n o r z 和m u l l e r 报道了大约在3 0 k 的温度下在l a b a c u o 系统 中超导电性。在1 9 8 7 年初，有人报道了在9 3 k 温度下y - b a c a c u o 中的超导 电性。这是第一个发现的乃，高于大气压时液氮沸点温度7 7 k 的高温超导材料。 一年以后，连续报道了在一些复合材料中的超导电性：b i s r - c a - c u o ， t 1 b a c a c u o 和t 1 p b s r - c a - c u o 。它们的z 都超过了1 0 0 k 。在1 9 9 3 年，由 于在h g b a c a c u 0 化合物中超导电性的发现，见诸于报道的在大气压下的最 高z 已升至1 3 3 k 。 4 第1 章引言 部分超导材料及其z ，列于表1 1 中。所有的高温超导材料都包含若干相似 的特点，它们都是包含c u o 平面的陶瓷氧化物，结构缺陷起着决定其特性的 作用，大部分能以不同的氧的化学计量法来制各。例如，我们称之为y b a 2 c u 3 0 7 的材料以不同的组成：y b a 2 c u 3 0 7 6 ( 0 万1 ) 而存在。z 强烈地依赖于万。很 多材料可以用铜以外的部分元素置换法制备，而且这也会影响z 、。例如 t i s r 2 c a c u 2 0 7 + 6 ，当被制备出来之后通常是非超导的，t l 部分被p b 置换而形成 ( t l o s p b o , 5 ) s r 2 c a c u 2 0 7 ，乃、就增长至9 0 k ，再加上用y 置换c a 形成 ( t 1 0 s p b o 5 ) s r z ( c a o 7 y o 3 ) c u 2 0 7 ，z 、进一步上升至10 8 k 。 表1 1 某些超导体及他们的转换温度 材料 t c 材料 t c 依 低t ，超导体 高z 超导体 h g 4 1 ( t i 。p b ) s r 2 c a c u 2 0 7 9 0 p b 7 2 ( t i ，p b ) s r 2 c a 2 c u 3 0 9 12 2 n b9 3 ( t i ，p b ) s r 2 ( c a ，y ) c h 7 0 7 l0 8 n b 3 n 1 7 3 b i 2 s r 2 c a c u 2 0 s 9 0 n b 3 s n 1 8 0 b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 i o l l0 n b 3 g e 2 3 0 h g b a 2 c u 2 0 4 9 4 高t c 超导体 h g b a 2 c a c u 2 0 6 1 15 y b a 2 c u 3 0 7 9 3 h g b a 2 c a 2 c u 3 0 s 13 3 y b a 2 c u 4 0 8 8 0 ( l a ，b a ) 2 c u 0 4 3 2 y b a 4 c u 7 0 1 5 4 0 ( l a ，s r ) 2 c u 0 4 3 8 t i b a 2 c a c u 2 0 7 9 0 c a c u 0 2 1 1 0 t i b a 2 c a c u 3 0 9 l10氧化铋超导体 t 1 2 b a 2 c a c u 2 0 s 10 8 b a ( b i ，p b ) 0 3 1 3 t 1 2 b a 2 c a 2 c u 3 0 t o 12 7 ( k b a ) b i 0 3 3 0 超导材料最好理解为二维层状结构。曾经争论过以这些氧化铜为基础的材 料的超导电性机理。但有一点是普遍同意的，即超导电性是与c u o 平面密切 相关的，并且在干涉层中氧的化学计量的替换或改变都会因其载流子浓度的变 化而影响其特性。材料是高度各向异性的，在一个平面内的电特性和与之相互 j 下交的平面内的电特性差别非常之大，这种各向异性是在制备薄膜的过程中必 5 第1 章引言 须考虑的。 高温超导体与其相应的低温超导体的不同之处在于电子对的相干长度是相 当短的。因此，对短程晶体的完整度的要求很高。晶体的不完整性例如晶粒边 界，由于其弱连接行为而降低超导特性，这就需要很好的外延生长以使晶粒成 行排列。在外延生长的c 轴取向晶粒中，c u o 平面与衬底平行且是与其旋转匹 配的。与c u o 平面匹配并垂直于衬底的晶粒被称为是a 轴晶粒。电流只在c u o 面内流过，而这样的晶粒足不能有效地在所有方向传输电流的。而且c 轴取向 晶粒也有可能旋转或轴向失配。即使误取向角小至5 。，在这种失配晶粒的晶 粒边界上电流传输也会大大降低。在最佳薄膜中，品粒的失配程度是最小的。 最后，简单地提一下另一类不是以铜的氧化物而是以铋的氧化物为基础的 超导体。在这一类物质中最早发现的一种材料是b a ( b i ，p b ) 0 3 。这足在1 9 7 5 年 报道的，但并不能提高其实用上的兴趣，这是由于它的1 3 k 的低z 、。1 9 8 8 年 在化合物( k ，b a ) b i 0 3 中发现了超导电性。报道的z 高至3 0 k 。虽然，这种材料 的z 比起许多铜的氧化物相对来说稍低一些，但是它显示出了至关重要的优 点，即它的晶体结构成立方体，相应地它的性质是各向同性的。 高温超导薄膜的特性及其对微波器件的适用性，严格地依赖于制造过程。 这一事实无论如何强调也不过分。在许多新材料被发现之后，很快就制备出其 z ，可以与超导粉末相比拟的超导薄膜，其中包括y b a 2 c u 2 0 7 相和t i b a c a c u o 的一些相。但是对于生产技术有相当的要求j 能制成具有适合于实际应用特性 的薄膜。由于生产上的困难，有一些高z 的材料包括t 1 2 b a 2 c a z c u 3 0 1 0 ( 乃，= 1 2 7 k ) , h ( t i ，p b ) s r 2 c a 2 c u 3 0 9 ( z = 1 2 2 k ) ，还没有找到广泛的微波应用，虽然已有报道 说它们在超过1 0 0 k 温度时具有低的表面电阻。直到1 9 9 4 年，所有的超导微波 元件都是两种材料制成的，即：y b a 2 c u 2 0 7 ( 在薄膜形式下的乃= 8 5 k 9 3 k ) 和 t 1 2 b a 2 c a c u 2 0 8 ( 在薄膜形式下的z = 1 0 0 k 1 0 6 k ) l 引。 高温超导薄膜的性能指标主要包括：微波表面电阻r 。，临界转变温度z ，和 临界电流密度以。 1 4 高温超导薄膜的制备方法 超导薄膜可以用不同的方法制备，我们把这些方法按它们是原位退火处理 或是沉积之后退火处理来加以分类。在原位处理中，高温超导相的晶体结构以 6 第1 章引言 长成薄膜的形式被沉积下来。在沉积后退火的处理中，首先沉积成非晶态或多 相预制膜，然后在独立的热处理步骤中将其转变成高温超导相。原位处理法的 优点在于它通常能生成光滑的膜，而且常允许制成多层膜。沉积后退火法则更 适合于在衬底两面均生成溥膜和性质均匀的大面积薄膜的制造。 用沉积后退火法制成的y b a 2 c u 2 0 7 膜，是将氧化钇、氧化钡( 萤石) 和氧 化铜利用电子束蒸发法、溅射法或激光沉积法进行低温沉积而制得。这种非晶 态预制膜在氧气中进行高温退火，这一技术的最成功的改进是将c u 、y 和b a f 2 在氧气中一起蒸发之后，再在h 2 0 0 2 气氛中和8 5 0 度的温度下热处理以形成 y b a 2 c u 3 0 6 的缺氧相。最后的低温退火处理要求在5 0 0 度的温度和氧环境中进 行，以使y b a 2 c u 3 0 6 转变成y b a 2 c u 3 0 7 。用这种办法制成的y b a 2 c u 3 0 7 薄膜的 表面电阻在7 7 k 和1 0 g h z 下可低至2 4 0 u q 。 由原位法制得的薄膜最常见的是由激光沉积和磁控溅射得到的。但有时也 用电子束蒸发和金属一有机化学汽相沉积法来制得。在所有这些方法中实际上 生长的是y b a 2 c u 3 0 6 的缺氧相。其后要通过在低温氧气中的退火以便转变成 y b a 2 c u 3 0 7 。原位法制得的y b a 2 c u 3 0 7 膜的形态对其成分的微小改变是十分敏 感的。 1 4 1 脉冲激光沉积法 脉冲激光沉积法是最早用于制造外延薄膜的许多方法中的一种。一个激光 脉冲很快将一陶瓷靶加热，它一部分蒸发了，并且形成像羽毛一样的须，落到 衬底上形成薄膜。这一过程可以在低或高的氧气压下实现。这种方法虽因其适 应面广而广泛用于研究工作中，但由于羽状物的方向性问题而很难扩大生产， 因而较少用于商品化生产。生产出的膜包含了大量的从沉积过程中发射出来的 粒子。为减少膜中的粒子密度，己研究过若干种方法，包括飞行时间法，以从 快速的原子和离子中分离出重而慢的粒子来。激光沉积法相对说来是一种新的 薄膜沉积技术，进一步的发展可望从实验室转向生产。 1 4 2 原位磁控溅射法 原位磁控溅射法能生产出质量最好的y b a z c u 3 0 7 薄膜。溅射法是相对较陈 旧的技术，但在高温超导出现以前，它仅限用于金属、半导体和氧化物的沉积。 7 第1 章引言 在大面积上制备均匀的复杂氧化物要复杂得多，这是因为带有负电的氧离子的 再溅射效应。要利用溅射靶的特殊结构以使这种效应降至最小。在偏轴磁控管 溅射法中，溅射枪与衬底之间有一合适的角度。增大面积受到两个方面的限制： 可沉积元素的均匀性和在低压的生长环境下均匀加热衬底的困难。然而在面积 大于3 英寸直径的衬底上生长低表面电阻膜已有若干个研究小组报道过了。 1 4 3 金属有机化学汽相沉积法 金属有机化学汽相沉积( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，m o c v d ) 法广泛地应用于半导体生产过程中。现在，对它的兴趣己扩展至高温超导薄膜 的制备中，这是由于扩大面积的方法已为大家所熟知。挥发性有机会属反应物 输入到反应室中在其中被加热至高温，分解并沉积在衬底上。作为一种标准的 应用方法。反应剂通过各反应剂的起泡器或固态架蒸发成蒸汽流，然后进入反 应室。m o c v d 法应用于制造高温超导膜的一个限制是必须预制合适的有机金 属。它必需有足够的挥发性和热稳定性。对于元素钡，这是一个特殊问题。有 一个可以克服这一限制的方法已被研究出来即单源m o c v d 法。在这种技术中， 有机金属试剂被混合进凝固相并注入蒸汽流中，在那里，它们挥发并被输送进 入反应器。这种技术己被用于生产低表面电阻的y b a 2 c u 3 0 7 薄膜中。 含铊薄膜的制备是由于t 1 2 0 的挥发性而被复杂化了。因此，几乎所有的研 究工作都集中于两步沉积后退火法，典型的材料是t 1 2 b a 2 c u 2 0 8 。在第一步先要 制备包含钡、钙、铜的氧化物的预制膜( 有时氧化铊也包含在预制膜中) 。有许 多方法是用于生产预制膜的，其中包括激光沉积法、偏轴射频磁控溅射法，以 及电子束蒸发法。之后，预制膜在氧化铊的过压蒸汽中进行退火，这种氧化铊 是由缓冲粉末( 如t 1 b a c a c u o 的化合物) 或保持在低温下的氧化铊产生的。 利用射频磁控溅射法沉积出b a c a c u o 预制膜后，再在t 1 2 b a 2 c a 2 c u 2 0 l o 粉术和 空气中进行退火。乃为1 0 6 k 的t 1 2 b a 2 c a 2 c u 2 0 8 薄膜已制备出来，并且在1 0 g h z 和7 7 k 条件下的表面电阻已经低至1 3 0 u q 。这一工艺，已扩展到覆盖层为单位 面的或双面的、大小可达直径3 英寸的面积。 虽还未用原位处理法制作过t 1 2 b a 2 c a 2 c u 2 0 8 薄膜，但t 1 b a z c a c u 2 0 7 相和 t i b a 2 ( c a ，y ) c u 2 0 7 相已在采用同步热蒸发t 1 2 0 时候已由射频磁控溅射法用 b a c a c u o 或b a c a y c u o 靶制备出来了。虽得到过高达9 7 k 的z ，但表面电阻 8 第1 章引言 都比由沉积后退火膜要高出好几倍。用m o c v d 法的原位生长法制得 t 1 b a c a - c u o 相还未见报道。这种工艺因t i o h 的高挥发性而变得很复杂。这 种t 1 0 h 是由气态的t 1 2 0 与由有机配位的氧化而生成的水蒸气反应而彤成的。 分子束外延长( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y , m b e ) 法允许金属受控地一层一层地 生长。但只有少数几个研究小组采用这种方法，这是因为此法相对来浣比较复 杂。另外还有一些制备高温超导薄膜的方法也有人研究过，其中包括离子束溅 射法，氯化物基化学汽相沉积法，溶胶工艺，以及喷射热解法等，这些技术只 找到有限的一些应用。 在某些环境条件下，已形成的高温超导薄膜的性质就可能变差。含水分的 环境是很有害的，所以，高温超导膜应保持干燥。y b a 2 c u 3 0 7 特别容易在高湿 度环境中产生衰变。但已经观察到t 1 2 b a 2 c a c u 2 0 8 在含水蒸气的大气中长达数 月，并没有在表面电阻或载流能力方面的恶化。在加工常规会属与高温超导薄 膜接触时也应非常小心地操作【4 巧j 。 总之，y b a 2 c u 3 0 7 及t 1 2 b a z c a c u 2 0 s 是最早用于微波电路中的高温超导材 料。在制备薄膜形式的这些材料方面，原位法和沉积后退火技术方面均已取得 了很大进展。在极高压力条件下，h g b a 2 c a 2 c u 3 0 8 的z ，高达1 5 5 k 已见诸报道。 这说明在常压下，z 约为1 3 3 k 并不是一个基本限制。一些高温超导材料的制 作工艺已由实验室转向工厂。y b a 2 c u 3 0 7 和t 1 2 b a 2 c a c u 2 0 8 薄膜已实现商品化， 其衬底面积已达3 英寸直径。 1 5 高温超导薄膜的应用 在目前的成熟工艺下，高质量的高温超导薄膜具备很低的微波表面电阻r 。 和较高的临界电流密度，。基于这些优点，高温超导薄膜在微波器件领域中得 到很好的应用。用h t s 薄膜制成的无源微波器件在高q 值、低插损、尖锐的滤 波截止特性，紧凑的器件结构、改善的温度稳定性等方面优于传统的金属器件。 利用高温超导薄膜制作的无源器件主要有：谐振器，滤波器，多工器，功分器， 高温超导开关，移相器。 高温超导薄膜在微波有源器件中也具有良好的应用自玎景。1 9 6 2 年， b d j o s e p h s o n 从理论上预言了非线性量子隧道效应，现在称之为约瑟夫效应。 次年，e w a n d e r s o n 和j m r o w e l l 从实验上证明了这一效应的存在。自此以后， 9 第1 章引言 世界上许多研究者对约瑟夫效应进行了十分详细的研究，并发现了一系列超导 有源器件，其中包括约瑟夫森结和超导量子干涉器件( s q u i d ) 。有源微波电路， 诸如检测器、混频器、参量放大器和振荡器等都是以有源器件为基础发展起来 的。 这种超导有源器件与众不同的优点在于它的极低的噪声( 直至量子极限) ， 以及非常低的功率损耗( 纳瓦级) 。对于低功率微波来说，这两者都是很理想的。 尽管有这些优点，但低温超导微波有源器件和无源器件应用的主要障碍在于制 冷的苛刻要求，这些低温超导器件必须工作在液氮温度附近，液氮制冷的不方 便在一定程度t 限制了它的广泛应用。 另外一种高温超导有源器件是超导磁通量流晶体管( s f f t ) 。这是高温超导 微波电路的一种重要器件。首先，它是一种具有增益的三端器件，这就拓宽了 它的应用。其次，它只要求由单层超导薄膜制成，这对高温超导电路的制造是 很有利的。在改善s f f t 性能以及它在高温超导微波电路中的放大器和振荡器 的制造中，s f f t 是很好的选择1 5 j 。 1 6 论文主要工作 本课题是源自于国家自然科学基金项目高温超导y b c o 薄膜中调制纳米 结构的制备及其微波性能的响应，主要针对高温超导薄膜的制作及其性能参数 进行一定的研究，而本文所要研究的内容是设计出用于测量高温超导薄膜特性 的平行板谐振器来。本沦文各章的具体安排为： 第二章主要介绍的是高温超导为什么呈现出超导特性，从迈斯纳效应n - - 流体模型，从理论上详细的解释了高温超导体微波表面电阻存在的原因。 第三章详细的介绍了当今比较常用的用于测量高温超导薄膜微波表面电阻 的各种测试方法，包括端面替代法、介质谐振器法、双谐振器法、镜像型蓝宝 石介质谐振器法和平行板法，并简单介绍了本文仿真所要用的h f s s 软件。 第四章详细的说明了本文测试高温超导薄膜表面电阻所用的平行板法，对 其结构模型进行了介绍，并对如何对高温超导薄膜表面电阻进行测量进行了详 细的分析，推导出了计算超导薄膜表面电阻的公式，并设计出了用于方便计算 的程序。 第血章在自订面几章的基础上，对平行板法进行了仿真，并给出了平行板法 1 0 第1 章引言 的设计方法。其中首先对空腔进行了仿真，然后再对加入了平行板谐振器的腔 进行了仿真和优化，分析并找出了整个腔的最佳耦合位置，并把空腔和加入了 平行板谐振器的腔的仿真结果进行了一定的对比和分析，确定了整个测试腔的 尺寸。 第六章是对本文所做的工作总结，总结了本论文的工作，并提出了需要进 一步研究的内容。 第2 章高温超导薄膜的微波表面电阻 第2 章高温超导薄膜的理论和其微波表面电阻 2 1 高温超导机理 二 同佃吐肚旦亓1 ：l z 自1 9 8 6 年发现氧化铜的高温超导电性以来，引起许多人致力于解释这一现 象的起源。个普遍为人们接受的很多低温超导材料的超导机理是具有相反自 旋的电子间的声子中介耦合。结成对的电子称为库珀( c o o p e r ) 对，它通过超导体 时不发生散射。b a r d e e n ，c o o p e r 和s c h r i e f e r 的经典工作现在称为b c s 理论。 超导态即为c o o p e r 电子对的集合态，在没有电流的基态，库珀对的总动量 为零；有电流时，库珀对的总动量为p 。虽然形成c o o p e r 对的电子间不断和品 格碰撞，但在散射过程中库珀对的总动量守恒，从而维持超导电流不变。对于 处于超导态的超导体，要破坏一对c o o p e r 对，使它激发成两个单电子，需要克 服一定的能隙。热激发可以破坏库仑对内的吸引相关性，随着温度的不断升高， 超导体内被拆散的电子对数目不断增多，而未被拆散的电子对内部吸引势也减 弱。到某一极限温度，电子对全被拆散，能隙为零，超导电性也随之消失。这 个温度就是超导临界转变温度，它是超导材料超导电性的重要参数。 对于高温超导体，其晶体结构很复杂，组元成分多，就结构化学和超导电 性的起因关系而：言，氧化物超导体的超导电性与其晶体结构之间并不存在简单 的直接关系。但是氧化物超导体所含有的c u o 平面对超导电性z ，有影响。大 量的元素替代实验证实了超导电性主要发生在c u 0 4 平面上。一般认为c u 0 4 层 的数目增加，乃，也相应提高。在所有的氧化物超导体中c u 0 4 层或由c u 0 4 层和 其它层的组合，被称为超导电层。这一层中的载流子浓度被认为是影响z ，的主 要因素之一。这些载流予来自c u 0 4 层内，也受到其它层的影响。目前，对于 氧化物超导体中层问的相互作用形式还不十分明确。但从结构化学的观点来看， 层间距或连结各层的化学键的长度和强度是相互作用的一个直接量度。另一种 层间耦合的方向是离子的无序分布，这在氧化物超导体中是普遍存在的。以 y b c o 为例，其c u 0 2 链上的氧容易发生变化，氧的变化不仅影响c u 0 2 链上的 c u 的氧化态，也引起载流子由c u 0 2 链到c u 0 4 层的转移，最终导致c u 0 4 层上 载流子浓度的变化。c u 0 4 层外的c u o 键长为2 3 a 。它大于c u 0 4 层内的c u o 1 2 第2 章高温超导薄膜的微波表面电阻 键长( 1 9 a ) ，调整这两个键长可以改变c u 0 4 层和c t l 0 2 链的相互作用。总而言 之，可以认为超导电性与晶体结构密切相关，但两者关系十分复杂。尤其是局 域结构细节和晶体结构缺陷都会影响输运特性7 1 6 , 1 8 l 。 2 2 迈斯纳效应和伦敦方程 超导体的完全抗磁性，现在一般称为迈斯纳效应，是由w m e i s s n e r 和 r o c h s e n f e l d 在1 9 3 3 年发现的。在他们的研究过程中发现了两个现象。第一个 现象是：当一个磁场作用到超导体上时，磁场不能穿透进入超导体内，简单的 说就是超导体排斥磁场。他们发现的第二个现象是：即使在常态下( t 霉，) 超导 体内部已经存在磁场，一旦当它冷却到z 、以下时，磁场也会被排斥到超导体之 外。第一个现象可以将经典电磁理论应用于零电阻的“理想”导体而得到解释。 但第二个现象却不能用电磁理论来解释，这是因为根据电磁理论在这样的情形 下磁通将被超导体捕获，而实际上超导体内部是不存在磁场的。迈斯纳效应是 超导体所特有的一个现象。 解释迈斯纳的一个简单理论是从将牛顿定律应用于超导载流子上丌始的： 聊si d v = q s l z ( 2 1 ) 聊s 了2 l 么i ) u l 式中，m s 、q 。和v 分别是载流子的有效质量、电荷和速度：e 是电场强度。超 导电子的电流密度为： j s = n s q n v ( 2 2 ) 式中，体为超导载流子密度。将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得： a d 0 s 一e ：0( 2 3 ) d f 这里伦敦常数人定义为： 人：墨( 2 4 ) 俸g ； 方程( 2 3 ) 是由e l o n d o n 和h l o n d o n 在1 9 3 5 年导出的，我们现在把它称之为伦 敦方程。 其次，对式( 2 3 ) 两端耿旋度并利用法拉第定律r o t e = 一o b o t 就可得出： 1 3 第2 章高温超导薄膜的微波表面电阻 扣虮 一x 1r o 也= 昙 r o 虮+ x 10 亿5 ， 我们再利用麦克斯韦方程： 1 “r o t b = 以+ 竽d t ( 2 6 ) “ 式中，为磁导率。在超导体中，超导电流密度厶是占优势的。在低频与中频 下，我们可以忽略式( 2 。6 ) 中右端的第二项，它代表位移电流。利用矢量恒等式 r o t ( r o t b ) 三g r a d ( d i v b ) 一v 2 b 以及麦克斯韦方程d i v b = 0 ，将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 即得： 昙 v 2 b 一纠= 。 亿7 ， 出l j 、。 其中伦敦穿透深度见，定义为： a = 肛万= 4 m s ( , u n s q , ；) ( 2 8 ) 显然，一个不随时间而变的磁场b = 常数足满足式( 2 7 ) 的；所以说如果在超导 体内部一开始时b = 0 ，则当外加一个磁场时，超导体的内部磁场仍将保持零。 因此，式( 2 7 ) 就解释了第一迈斯纳现象。但是，式( 2 7 ) 对于第二迈斯纳现象却 失效了。如果在非超导的常念下( 丁 z ，) ，在材料内部建立起一个非零磁场b 然 后将它冷却到超导转变温度以下( 丁 且时，超导电性便被破坏了。第二类超导体的相干长度略等于或小于伦敦 穿透深度。当存在外磁场h 时，第二类超导体只是在低于某一较低的临界磁场 q ，。时才发生对磁通的排斥。但它们在磁场小于另一个较高的临界磁场峨：时 仍能保持其超导电性。对磁场介于中间