（材料学专业论文）钽酸钾（ktao3）晶体的生长、表征及其应用.pdf

山东大学硕士毕业论文 摘要 随着通讯、信息产业的迅速发展，各种光电子元件得到快速的发展并趋于高 性能化。为此，对光电子元件的关键零件一基片的材料和加工精度提出了新的要 求。要求基片晶体材料具有优良的压电、光电和热电性能；对元件基片加工精度 的要求甚至达到纳米级；要求基片晶格具有无畸变的超光滑无损伤表面等。基片 表面存在任何微小缺陷都会破坏晶体材料表面性能，甚至导致其特性的变化，影响 元件的工作精度和可靠性。此外，还要求高的加工成品率。光电子元件基片为典 型的超薄零件，如手机声表面波滤波器基片厚度3 5 0 啪，刚性差，难以有效满足加 工精度和加工质量要求。因此，要满足现代光电子元件苛刻的精度和表面质量要 求，如何获得具有超光滑表面的基片，便成为从事该领域研究的人们多年来苦苦 探寻的工艺问题。 钽酸钾( k t a 0 3 ) 晶体是一种典型的钙钛矿型晶体，从室温到熔点间无相变， 具有不潮解，热机械性能优良等优点，可以采用提拉法获得大尺寸高质量的单晶。 此晶体与各种钙钛矿型氧化物超导薄膜具有良好的晶格匹配和结构匹配，在高温 下具有较好的化学稳定性、热传导性和绝缘性，在高额时具有很小的介电常数和 损耗，是一种很有实际应用的高温超导( h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ) 薄膜的 衬底材料。由于晶体加工表面严重地影响在其表面所生长的高温超导薄膜的性能， 所以如何获得超光滑无损伤的基片表面是一个亟待解决的问题。目前，实际生产 所采用的机械抛光工艺存在抛光效率低、加工质量不稳定、碎片率高等问题。目 前对单晶k t a 0 3 超精密加工技术的研究较少，没有一套完整的专门适合于单晶 k t a 0 3 的超精密加工工艺。因此，本文对k t a 0 3 晶体的生长、结构、缺陷、基本性 质及其加工进行了系统的探索，其主要包括以下工作： 一、 k t a 0 3 晶体生长 采用纯度为9 9 9 9 的k 2 c 0 3 和t a 2 0 5 通过固相反应合成出的k t a 0 3 多晶原料， 利用熔体提拉法成地生长出了一系列大尺寸、无开裂、高质量的k t a 0 3 单晶。 由于晶体生长是一个复杂的物理化学过程，我们结合晶体生长热力学和动力 山东大学硕士毕业论文 学规律，系统讨论了影响晶体生长和晶体质量的主要因素。包括优质多晶原料的 制各和建立合理温场的设计：控制合适的生长工艺参数，选用优质籽晶，消除外 界因素的影响等。同时针对不同因素的产生原因和影响特点，提出了相应的解决 办法。 二、0 3 晶体组分、结构与缺陷 利用j x a - - 8 8 0 0 型电子探针技术分别测量了k 元素、t a 元素和o 元素在生长的 k t a 0 3 单晶不同位置的浓度。测量结果表明在富k 体系所生长的k t a 0 3 单晶是非化 学计量比的，组分均匀性良好不过仍存在氧空位缺陷。 利用x 射线粉末衍射和锥光干涉图对生长的k t a 0 3 晶体进行了结构研究。根据 x 射线粉末衍射结果，确定生长的k t a 0 3 晶体属于立方晶系，利用d i c v o l 9 1 计算立 方晶胞参数为：a = 3 9 8 8 4a 。 采用化学腐蚀法和高分辨x 射线衍射观测了l m 0 3 晶体缺陷的完整性，并结合 晶体生长探讨了缺陷的形成机制，为生长优质晶体提供了依据。在k t a 0 3 晶体中存 在的主要缺陷为位错和小角晶界。根据这些缺陷的形成机制，采取了相应措施， 不断改进生长工艺条件，有效地减少或消除了晶体中的这些缺陷。 三、 k t a 0 3 晶体的基本性质 测量了k t a 0 3 晶体的密度、硬度、线性光学性质和热学性质，并讨论了这些基 本性质对晶体生长和应用的影响。 采用浮力法测得k t a 0 3 晶体的密度为7 0 1 4 6g c m 3 。利用莫氏硬度计测得 k t a 0 3 晶体的莫氏硬度为6 左右。采用v 型棱镜法测量了k t a 0 3 晶体在入射光波 波长6 3 3n n l 和1 5 3 9n m 的折射率分别为2 2 2 5 6 和2 1 5 2 0 。利用h i t a c h iu 一3 5 0 0 型m u v 分光光度计，测量了室温下k t a 0 3 晶体在3 4 0 - - , 3 5 0 0 姗波段范围内的 透过光谱，晶体在此波段的透过率为7 0 - 8 0 ，仅在波长2 8 7 5n i n 附近有一o h 吸 收峰。 系统地研究了k t a 0 3 晶体的热学性质。通过高温差示扫描量热仪，在 3 0 3 1 5 k - 8 4 3 1 5 k 的温度范围内测得k t a 0 3 晶体的比热为k t a 0 3 ：0 3 7 1 - - 0 3 8 5 j 9 1 k 1 ( 9 9 4 2 8 - - 1 0 3 1 8 5j m o l j k 1 ) 。采用热膨胀仪在2 9 8 1 5 - 7 7 3 1 5 k 温度范围内 测量获得a c = 6 4 4 x 1 0 由o c ，a 。= 酽6 6 3 x 1 0 击o c 。我们还测量了k t a 0 3 晶体的热扩 散系数并计算了热导率。在室温附近，k t a 0 3 晶体的热扩散系数为3 2 5 9r a i n 2 s ； n 山东大学硕士毕业论文 而该晶体在室温下相应的热传导系数为8 5 5 1w m 。1 k - 1 。讨论了热学性质对k t a 0 3 晶体的生长和应用所产生的影响。 四、 k t a 0 3 基片的超光滑表面加工 用化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g , c m p ) 方法加工单晶基片表面， 通过化学和机械的交互作用去除表面损伤层，高效地获得超光滑无损伤的单晶 k t a 0 3 基片表面。并在不同工艺参数下分别对单晶k t a 0 3 基片进行c m p 实验，对比 分析了不同工艺参数的作用机理及抛光效果，选择出一种适合单晶k t a 0 3 基片c m p 的参数。通过正交实验，对c m p i 艺参数进行优化，获得了较好的基片表面质量， 表面粗糙度r a m 值达到7 5 2a ( a f m 测量结果) ，提高了加工效率，降低了成本。 在大量的c m p 实验基础上，探讨了影响c m p 过程的主要因素( 如抛光垫、抛光液、 抛光压力、抛光盘转速等) 对单晶k t a 0 3 基片抛光效果的影响规律。 关键词：钽酸钾晶体，高温超导，晶体生长，缺陷表征，光学性质，热学性质， 化学机械抛光 u i 山东大学硕士毕业论文 a b s t a r c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n , d i v e r s i f i e d p h o t o e l e c t r o n i cd e v i c e sd e v e l o pa t at r e m e n d o u ss p e e da n dc o m et ot h et r e n do f a d v a n c e dp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yf o rt h ek e yp a r to fp h o t o - e l e c t r o n i c d e v i c e s t h em a t e r i a l so fs u b s t r a t e sa n dt h ed e g r e eo fp r o c e s s i n gn i c e t y - h a st of a c en e w e l a n ds t r i c t e rs t a n d a r d t h a ti st os a y , s u b s t r a t e ss i n g l ec r y s t a lm a t e r i a lm u s th a v e e x c e l l e n tq u a l i t i e so fp i e z o - e l e c t r i c i t y , p h o t o - e l e c t r i c i t y , t h e r m o e l e c t r i c i t y ；t h ed e g r e e o fp r o c e s s i n gn i c e t yo fd e v i c es u b s t r a t e sm u s ta m o u n tt ot h el e v e lo fn a n o m e t e r ；t h e c r y s t a ll a t t i c e sm u s th a v es u p e r - s m o o t hs u r f a c e sw i t h o md i s t o r t i o no rd a m a g e b e c a u s e a n yt i n yf l a wi ns u r f a c eo fs u b s t r a t e sw i l ld e s t r o yt h es u r f a c ep e r f o r m a n c eo fc r y s t a l m a t e r i a l sa n de v e na r o u s et ot h ec h a n g eo ft h es t r u c t u r eo fc r y s t a ll a t t i c e s ，w i t c hw i l l a f f e c tt h ep r o c e s s i n gn i c e t ya n d r e l i a b i l i t yo fd e v i c e s f u r t h e r m o r e ，h i g hr a t eo ff i n i s h e d p r o d u c t sa l s ob er e q u i r e d h o w e v e r , t h es u b s t r a t eo fp h o t o e l e c t r o n i cd e 们c e s ，嬲t y p i c a l u l t r a - t h i np a r t , s u c ha st h et h i c k n e s so ft h es u b s t r a t eo ft h es u r f a c ew a v ef i l t e ro f c e l l p h o n ej u s ta m o u n tt o3 5 0u m ，h a sb a ds t i f f n e s sa n dc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n to f p r o c e s s i n gn i c e t ya n dq u a l i t y a sar e s u l t , h o wt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h eh i 【g h n i c e t yo fm o d e mp h o t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n ds l l r f a c eq u a l i t ya n dh o wt og a i nt h e s u b s t r a t ew i t hs u p e r - s m o o t hs u r f a c ea r et h ev e r yp r o c e s s i n gm e t h o d st h a tp e o p l ei nt h i s f i e l dh a v ee x p l o r e df o rm a n yy e a r s p o t a s s i u mt a n t a l a t es i n g l ec r y s t a l ( k t a 0 3 ) w h i c hh a sn op h a s et r a n s i t i o nf r o m r o o mt e m p e r a t u r et om e l t i n gi sat o p i c a l l yi s o s t r u c t u r a lp e r o v s k i t e t h i sc r y s t a li s9 0 0 d t h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c a l lb eg r o w nf o rh i g hq u a l i t yb yu s i n gt h e c z o c h r a l s k im e t h o d t h e r ei ss m a l lc r y s t a ll a t t i c em i s m a t c h i n ga n ds t r u c t u r em a t c h i n g f o re x t e n d i n gk i n d so fp e r o v s k i t eo x i d ef i l m k t a 0 3c r y s t a lh a ss u c hp e r f o r m a n c e s 嬲 g o o dc h e m i c a ls t a b i l i t y ，h e a t - c o n d u c t i o na n di n s u l a t i o nu n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r e ， v e r yl o wd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dd i s s i p a t i o ni nh i g hf r e q u e n c y t h es u b s t r a t es u r f a c e q u a l i t y , s u c ha ss u r f a c er o u g h n e s s ，m i c r o s t r u c t u r ed i r e c t l yi n f l u e n c e st h eq u a l i t yo f h i g ht 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 mg r o w no ni t s o ，i ti sa ni m p o r t a n tp r o b l e m h o wt og e tk t a 0 3s u b s t r a t e 丽ml l i g hs u r f a c eq u a l i t y n o w t h e r ea r es o m e 山东大学硕士毕业论文 d i s a d v a n t a g e si nm e c h a n i c a lp o l i s h i n go fs i n g l ec r y s t a lk t a 0 3s u b s t r a t e s ，s u c ha sl o w m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) ，p o o rs u r f a c eq u a l i t ya n dh i 曲p e r c e n to f fr a g r n e n tw a s t e m o r e o v e r ，t ot h ea u t h o r sb e s tk n o w l e d g e , s y s t e m a t i cs t u d yo nu l t r a - p r e c i s i o np o l i s h i n g o fk t a 0 3s u b s t r a t e sh a sn o tb e e nr e p o r t e d t h e r e b y , i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h eg r o w t h ， s t r u c t u r e , d e f e c t s ，p r o p e r t i e sa n du l t r a - p r e c i s i o np o l i s h i n go fk t a 0 3c r y s t a l a r e s y s t e m a t i c l l ys t u d i e da n dd i s c u s s e d t h eo u t l i n eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 c r y s t a lg r o w t h k t a 0 3p o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a lw a ss y n t h e s i z e db ym e a n so fas o l i d - s t a t er e a c t i o n w i t h4 nk 2 c 0 3a n dt a 2 0 5 f r e e - c r a c k e dk r a 0 3s i n g l ec r y s t a l sw i t hh i g ho p t i c a lq u a l i t y a n d l a r g ed i m e n s i o n sw e r es u c c e s s f u l l yg r o w nb yu s i n gc z o c h r a l s k im e t h o d s i n g l ec r y s t a lg r o w t hi sac o m p l e xp m e e s s ，t h ef a c t o r st h a ta f f e c tq u a l i t yo f c r y s t a l sd u r i n gw e r ea n a l y z e d , a c c o r d i n gt ot h et h e o r i e so ft h e r m o d y n a m i c sa n d d y n a m i c s h i g hq u a l i t yp o l y e r y s t a l l i n em a t e r i a la n das u i t a b l ef i l e do ft e m p e r a t u r ea r o t h ep r e c o n d i t i o nt og r o wa ne x c e l l e n tc r y s t a l ；t h eo p t i m a lt e c h n i c si st h ek e yf o rc r y s t a l g r o w t h ；u s i n gag o o dc r y s t a ls e e da n de l i m i n a t i n go u t s i d ei n f l u e n c ec a l le n s u r et h e q u a l i t yo fc r y s t a l s w ea l s op r e s e n t e dt h er e s o l v e n t sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e s ef a c t o r s 2 c r y s t a lc o m p o n e n t s ，s t r u c t u r ea n dd e f e c t s t h ec o n c e n t r a t i o n so fkt aa n doe l e m e n t si nt h ed i f f e r e n tp a r t so fa s - g r o w n k t a o ss i n g l ec r y s t a lw e r em e a s u r e db yt h ej x a - - 8 8 0 0e l e c t r o np r o b ea n a l y s i sm e t h o d t h em e a s u r e dr e s u l t si n d i c a t et h a ta s g r o w nk t a 0 3i nr i c hkm e l ti sl i o ns t o i c h i m e t r i c k t a o sa n dh a sh i g hh o m o g e n e o u s n e s si nc o m p o n e n t s ，y e te x i s to b v i o u sov a c a n c yi n c r y s t a l s t h es t r u c t u r eo fa s g r o w nk t a 0 3s i n g l ec r y s t a lw a ss t u d i e db yx - r a yp o w d e r d i f f r a c t i o nc o m b i n e dw i mc o n o s e o p i ed i a g r a mm e t h o d t h ex r a yd i f f r a c t i o nc o n f i r m e d t h a ta s - g r o w nk t a 0 3 s i n g l ec r y s t a lb e l o n g st ot h ec u b i cc r y s t a ls y s t e m , a n dc a l c u l a t e d u n i tc e l ld i m e n s i o n sa = 3 9 8 8 4a b yd i c v o l9 1s o f t w a r e d e f e c t si nt h ea s g r o w nk t a 0 3s i n g l ec r y s t a lh a v eb e e ns t u d i e db yu s i n gt h e c h e m i c a l e t c h i n gm e t h o d a n dh i g h - r e s o l u t i o n x r a y d i f f r a c t i o n t h er e s u l t so f o b s e r v a t i o n sa n dd i s c u s s i o no fg r o w t hd e f e c t sa n df o r m a t i o nm e c h a n i s m si na s g r o w n k t a 0 3s i n g l ec r y s t a lw e r ep r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti si m p o r t a n tf o ru s ，s i n c et h e i n v e s t i g a t i o nc a l lg u i d et h eg r o w t ho fs i n g l ec r y s t a lw i ml l i g l lp e r f e c t i o n t h em a i n v 山东大学硕士毕业论文 d e f e c t si nt h ea s g r o w nl q l a 0 3s i n g l ec r y s t a la r ed i s l o c a t i o n sa n ds u b g r a i nb o u n d a r i e s t h e s ed e f e c t ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h ep e r f e c t i o no fc r y s t a l s i no r d e rt oa v o i do rd e c r e a s e t h e s ed e f e c t s ，w et a k es o m ec o r r e s p o n d i n gs t e p sa c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s u l t s 3 b a s i cp r o p e r t i e s 1 1 1 ed e n s i t y , h a r d n e s s 1 i n e a ro p t i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e r m a lp r o p e r t i e so ft h e a s g r o w nk t a 0 3s i n g l ec r y s t a lw e r em e a s u r e d ，a n di n f l u e n c e so ft h e s ep r o p e r t i e so n c r y s t a lg r o w t ha n da p p l i c a t i o n sw e r ea l s od i s c u s s e d 1 1 1 ed e n s i t yo fk t a 0 3c r y s t a lw a sm e a s u r e db yu s i n gt h eb u o y a n c ym e t h o da t r o o mt e m p e r a t u r ea n di t sv a l u ei s 7 0 14 6g e r n n em o b sh a r d n e s so fk t a 0 3w a s a b o u t6b yu s i n gm o b ss c l e r o m e t e r t h er e f r a c t i v ei n d i c e so fk t a o a s i n g l ec r y s t a lw a s m e a s u r e db yu s i n gv - p r i s mm e t h o da th gl a m pel i n e ( a = 6 3 3 n ma n dx = 15 3 9 n m ) a n di t s v a l u ei s2 2 2 5 6a n d2 15 2 0 t 1 1 et r a n s m i s s i o ns p e c t r aw e r em e a s u r e dw i mh i t a c h i u - 3 5 0 0f i i rs p e c t r o m e t e ra tr o o mt e m p e r a t u r ea n dt h er e s u l t ss h o wt h a tk t a 0 3c r y s t a l h a sab r o a dt r a n s p a r e n tw a v e l e n g t hb a n d t h ec u t - o f fw a v e l e n g t ho ft h ec r y s t a l si sa b o u t 3 4 0n l n f r o m3 4 0i l r i lt o35 0 0 珈n ，o n l ya na b s o r p t i o nb a n db e t w e e n28 4 7n n la n d2 910n n la p p e a r s ，a n dt h ep e a ki sl o c a t e da ta b o u t28 7 5n n l t h et h e r m a lp r o p e r t i e so fk t a 0 3s i n g l ec r y s t a lw e r es y s t e m i c a l l ys t u d i e d t h e s p e c i f i ch e a tw e r em e a s u r e db yt h em e t h o do fd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y , w h i c h v a l u e si s0 3 7 1 o 3 8 5j 岔k i nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f3 0 3 1 5k 8 4 3 1 5k 1 i 他 t h e r m a le x p a n s i o no fk t a 0 3s i n g l e c r y s t a lw a sm e a s u r e db yu s i n gat h e r m a l d i a l a t o m e t e ra n dt h ea v e r a g el i n e a rt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n tw e r ec a l c u l a t e di nt h e t e m p e r a t u r ef r o m2 9 8 15t o7 7 3 15 kw h i c hv a l u e sa r ea c 4 4 x1 0 叩c ，a a = a b = 6 6 3x10 6 o c t l l et h e r m a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fk t a 0 3s i n g l ec r y s t a lw a sm e a s u r e d b yt h el a s e rf l a s hm e t h o di nt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m2 9 8 15k t o7 7 3 15ka n di t s v a l u ed e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e a tr o o mt e m p e r a t u r e , t h et h e r m a ld i f f u s i o n c o e f f i c i e n t sa r e3 2 5 9m m 2 s 1 ，t h ec a l c u l a t e dt h e r m a lc o n d u e t i v i t i e so fk t a 0 3s i n g l e c r y s t a la r e8 5 51w m 以k 1 t h ei n f l u e n c e so ft h e s et h e r m a lp r o p e r t i e so nc r y s t a lg r o w t h a n da p p l i c a t i o n sw e r ea l s oa n a l y z e d 4 c r y s t a lu l t r a - p r e c i s i o np o l i s h i n g 1 1 1 ec h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( c m p ) t e c h n o l o g yo fk t a 0 3s u b s t r a t ei s s t u d i e di no r d e rt oe f f i c i e n t l yo b t a i nt h eu l t r as m o o t ha n df r e ed a m a g es u r f a c eo fk t a 0 3 s u b s t r a t e sb yu s eo ft h ec h e m i c a la n dm e c h a n i c a li n t e r a c t i o n as e r i e so fc m p 山东大学硕士毕业论文 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nd i f f e r e n tt e c h n i c sp a r a m e t e ro nt h es u r f a c eq u a l i t yo fk t a 0 3 s u b s t r a t ew e r ec a r r i e do u t a c c o r d i n gt oa n a l y s i sr e s u l to fd i f f e r e n tp a r a m e t e r , w eh a v e c o m p a r e dt od i f f e r e n tp o l i s hm e c h a n i s ma n dp o l i s he f f e c t ，s u m m e du po p t i m a lc m p t e c h n i c sp a r a m e t e rf o rk t a 0 3c r y s t a l f i n a l l y , t h es u i t a b l ec m pp 枷e t e 稻f o rs i n g l e c r y s t a lk t a 0 3 a r eo b t a i n e db yu s i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d i ti sp r o v e dt h a t t h es u r f a c er o u g h n e s so fk t a 0 3s u b s t r a t ec a l lr e a c hr a m = 0 7 5 2n l i la n dt h em r ro f k t a 0 3s u b s t r a t ei si m p r o v e d as e r i e so fc m pe x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ei n f l u e n c e so f t h em a i nf a c t o r s ( p o l i s h i n gp a d ，p o l i s h i n gs l u r r y , p o l i s h i n gl o a d ，t a b l er o t a t i o n a ls p e e d ) o nt h es u r f a c eq u a l i t yo fs u b s t r a t ew e r ec a r r i e do u t k e y w o r d s ：k t a 0 3c r y s t a l ，h i g l lt e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r , c r y s t a lg r o w t h , d e f e c t s c h a r a c t e r i z a t i o n , o p t i c a lp r o p e r t i e s ，t h e r m a lp r o p e r t i e s ，c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g v i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰垒堂 日期：三二：至：互：广 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盖丛翩签名：舀妲日期：坦瞧l 山东大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1引言 1 9 11 年，荷兰莱顿大学的卡茂林一昂尼斯用液氦冷却水银( 汞) 时意外地发 现超导电性这种现象【1 】。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的 在低温下失去电阻的特性，由于它们的特殊导电性能，卡茂林一昂尼斯称此状态 为超导态。后来人们就开始把处于超导状态的导体称之为“超导体 。超导体具 有零电阻和抗磁性两个重要特性。而使超导体电阻为零的温度，叫超导转变温度 ( t c ) 。自1 9 11 年发现超导体以来，人们一直在努力寻找更高临界温度的超导体。1 9 8 6 年j g b c d n o r z 和k m m u l l e r 发现液氮温区的铜氧化物高温超导体，是最近几十年来 在物理学和材料科学领域中的重大突破之- - 2 。二十多年来，它在全世界范围引 起公众、政府的极大关注，各国众多科学工作者参与了超导研究与发展工作，人 们期望着高温超导体的发现与应用最终会给社会带来巨大的技术与变革。现在， 世界科学技术界都有这样的共识：今后1 0 年或较长一些时间内，超导技术会发展 成为一门有较大规模的高技术产业。 高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高 到了液氮( 7 7 k ) 温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高 的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上 临界场( h e 2 ( 4 k ) 5 0 t ) ，能够用来产生2 0 t 以上的强磁场，这正好克服了常 规低温超导材料的不足之处。正因为这些由本征特性t c 、h c 2 所带来的在经济和 技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高 t c 超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深 入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及 多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构 分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如：非晶技术、纳米粉技术、 磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许 多研究工作都涉及到了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、 薄膜、体块材料、线材和应用等多方面取得了重要进展。 山东大学硕士毕业论文 1 2 高温超导材料及其发展 人类已进入了信息时代。从科技角度讲，我们所说的信息时代是以数字电路 为基础的。制做数字电路的基础材料，目前被广泛应用的只有半导体材料这一种。 但科学家们发现，如果以超导薄膜为基础制成数字电路，将比半导体材料数字电 路具有速度更快、损耗更小、容量更大的特点。如果这项技术得以突破，信息技 术将进入全新的时代。 除此之外，用超导薄膜制成的超导量子干涉器，可以探测比人脑磁场弱几千 倍的磁场，因此它不仅可以用来监视肺、脑和心脏的活动功能，而且还可以用来 测量磁场的梯度以及起伏，用收集来的磁信号进行分析，确定矿源，预报地震等。 由于超导薄膜没有电阻，用它制成的天线、谐振器、滤波器、延迟线等微波通讯 器件具有常规材料( 金、银等) 不可比拟的高灵敏度，从而受到各国军方的重视，成 为未来电子对抗战中的关键技术。自从高温超导体发现以来，人们对高温超导薄 膜的制备与研究都给予了极大的重视。目前，被广泛关注的是y b a e c u 3 0 7 _ 6 1 2 3 ) 和t 1 2 b a 2 c a c u 2 0 s ( t 1 2 2 1 2 ) 高温超导薄膜。t l 元素易挥发且具有毒性，h g 系超导体 也存在同样的问题。而y 系超导体在一定温度和一定气压条件下比较容易获得单一 的相组成，这对高温超导电性的研究以及高温超导材料的应用都具有十分重要的 意义，所以y 系超导体是目前研究的热点。由于获得y b c o 的单晶材料难度较大， 相反优质y b c o 超导薄膜的制备较容易。因此，目前大部分超导材料工作者都把工 作精力投入y b c o 超导薄膜的研究上。 要想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于高温超 导体是由多种元素( 至少四种) 组成的化合物，而且高温超导体往往还有几个不 同的相，此外，高温超导体具有高度的各向异性，这些因素使制备高质量高t c 超 导薄膜具有相当大的困难，尽管如此，通过各国科学家十年来坚持不懈的努力， 已取得了很大的进展，高质量的外延y b c o 薄膜的t c 在9 0 k 以上，零磁场下7 7 k 时，临界电流密度j c 已超过l x l 0 6 a c m 2 ，工艺已基本成熟，并有了一批高温超导 薄膜电子器件问世 3 7 】。 1 3 高温超导薄膜制备技术 y 系薄膜是研究得最多、最成熟的高温超导薄膜。在高温超导体刚刚被发现的 2 山东大学硕士毕业论文 时候，几乎全世界所有的制膜技术都被用来制备高温超导薄膜。但是到