氮化妮NbN薄膜的晶体结构和基本特性

1、氮化妮NbN薄膜的晶体结构和基本特性氮化毙(NbN)咼过渡金属氮化物.由于其良好的电学、化学和机械性能而被人们所关注,NbN薄臓具有高饕度,高耐磨性，耐腐蚀性和良妹的热稳定性,NbN同时还是很好的超导村料.ft有较商的临界电流密度.较高的临界超导转变爲度,在超导电子学领域育广阔的应用前盘cL50025002CKtr-r匚，rEakldN,%am国13是Nb-N的帕图卩山图可以看出.NbNfS膜具有复杂的相结构.很据Nb和N化学计虽比不同形成的NbN薄膜的晶体结构也有所不同NbN轉膜的晶体结构非常复朵，既仃而心立方晶体结构，乂冇四方晶休结构，还右六方晶体结构，不同晶体结构的NbZ薄膜的超导性能也

2、不相同。研充表明具疔NaCI型而心工方晶体结构的ANbN的超导转变温度最高叫NbN的晶格常数为（）.439nm5-NbN是我们研究的主要对象。图1.4给出NbN的晶体结构。NNb图1.4NbN的晶体结构不总图由图1.4可以看出：NbN具何NaCI型立方晶体结构，毎个Nb原子都被六个等距离的N原子包阖，毎个N原子也彼六个等离的Nb原子包圉，为面心立方堆枳（fix）方式。1.3氮化钛（TiN）薄膜的晶体结构和基本特性TiN屈r过渡金属氮化物.具台高熔点、高硬度、耐高温、耐酸碱腐蚀、咐磨损以及良好的导热性和优良的光学性能等-系列优点，TIN薄膜既可以用制备切削工具机械零部件的被覆材料,也可以应用F装

3、饰行业.还可以作为太阳能的选择性透射膜.TiN溥膜的晶体结构和NbN薄膜的晶体结构样，同属J-NaCI型面心立方晶体结构图1.4所示.只是11原子取代了Nb原子的位g.TiN薄膜晶格常数为0.4239nm,HN含址可以任一定范围内变化而不引起TiN的晶体结构发生变化巴图1.5是Ti-N的二元相图卩叫TiN和NbN佯也是一个非定比相，确切的来讲应该写成TiN、的形式。Ti和N可以形成一系列的化合物，如：TiN、TiN?、TbN、Ti、N、TUN、Ti,N4xTi3N5.Ti5N6等山)图1.5Ti-N相图TiN粉末一般呈黄褐色，而TiN晶体则呈现出金黄色。TiN的熔点为3233K.理论密度为Ti

4、N的熔点比大筝数的过渡金屈氮化物的要高，而密度比大董数的过渡金属氮化物的都要低.室温下TiN的莫氏硬度为8-91，显微硬度为21Gpa,2l弹性模虽:为436GPa,抗弯强度为431MPao空温下，TiN的线膨胀系数为9.35xl(rKS热导率为1925W(mK)*,具有较好的导热性。一般情况下，TiN与水蒸气、盐酸、硫酸等均不发生化学反应，任强碱洛液中，TiN会分解放出NHzTiN具有很好的抗氧化性，在lOOOC左右才开始氧化。1.4NbN薄膜的研究现状1941年Ashermann等人首先发现了NbN溥膜具何很好的超导特性心。后来的研宛者对NZN体系的超导性能进行了广泛的研宛,研究发现:Nb

5、N薄膜的超导特性要优于NbN块体材料.NbN薄膜的超导性质不仅仅取决于化学计量比的偏离程度,还和晶体结构有关。在NbN薄膜的各相中,具有NaC型的面心立方结构的5-NbN的超导转变温度最高(17.3K)冋，NbaN的超导转变温度却只有8.6以叫Nb4N4xNb3N3.NbN、NbN、都具有超导性能,而NtxN6(六方)并没有表现出趙导性能问。NbN薄膜由于其具冇较髙的趨导转变温度和临界电流密度，并且利用反应磁控溅射的方法在常温下就可以制备，NbN的超导持性便英广泛的应用于低温超导电子学领域，NbN薄膜在现代单光子探测技术和电子器件领域有着广闻的应用前最.例如，可以制作超导热电子测辐射热计(HE

6、B)和超导单光子探测器(SSPD),可以作为超导电子器件和电路的电极材料II,因此许多研丸孝对NbN薄膜的制备方法和性能进行了大斌的研丸，研究发现：单晶的NbN薄膜制备的器件的性能耍优F多晶NbN薄膜制备的器件四。HEB和SSPD探测器的基础就是几纳米厚的NbN薄膜，为了提髙这些应用中NbN薄膜的超导性能，许务研究者选择了不同的呈片来生长NbN薄膜，如：Si.SiO2,MgO,3C-S1C.AbOj23241.Kilin和RSchneider等人通过確控溅射的方法胃接在Si基片卜.825*C生长NhN薄膜,厚度为5nm的NbN薄膜的超导转变温度为9K,TEM和EELS分析的结果显示：在NbN薄

7、膜制备过程中，在基片和NbN薄膜之间由于高温会互扩散形成一层非晶界面层。NbN薄膜的表而会形成一层表而氧化层，界而层和表而氧化层的存在严重抑制了NbN薄膜的超导特性1旳,Si基片的晶格常数为O.543nm,而NbN薄膜的晶恪常数只仃0.439nm,两者的晶恪失配度高达19%,所以任Si基片上制备的NbN薄膜很堆实现外延生长。LI前NbN薄膜一般生长在与JI晶格匹配的MgO(10()基片或AhO,()001)基片上，其中MgO(100)基片的晶格常数为2O5(00()1)基片的晶恪常数为O.475nnuShigehiloMiki和MikioFujiwara等人通过自流碗控溅射的方法任MgO(1(

8、X)基片上制备的4nm厚的NbN薄膜的超导转变温度就达到了12K,26,W.SLYSZ和M.GUZ1EWICZ等人在A12O3(0(X)1)上制备的6nm厚的NbN薄膜的超导转变温度达到了12.5K127。止是tlFMgO和AI2O3基片与NbN的晶恪失配度比较小,在其上而制备的NbN薄膜的超导性能比较好，所以研究者一般选用它们作为生长NbN薄膜的基片，很少有人在Si基片上直接制备NbN薄膜.为了提高Si基片上NbN溥膜的超导性能.研究音一般在基片与NbN薄膜Z何生怏一层与NbN晶俗匹配的过渡层。TalsuyaShiino和ShoichiShiba等人便用A1N作为生长NbN和NbTiN薄膜的

9、过渡层并且得到了很好的效果。A1N属于纤锌矿型六用晶系晶休结构，其中a=0.31Inmc=0.498nmAIN、NbN和NbTiN薄膜都是通过直流磁控溅射的方法制备的。AIN过渡层的引入使厚度为Snm的NbN薄膜的超导转变温度由7.3K加到了I0.5K。超导转变温度的提高來源fA1N薄膜的()01)表面和NbN薄膜(111)表面很好的晶格匹配U叫NbN(111)择优取向的“晶恪常数”为=%厂0.310泗，这与AIN的晶格常数a=0.311nm非常的接近，两音的晶恪失配度只仔0.2%。MasayoshiTonouchi等人在Si基片上通过引入厚度为05nm的MgO作为过渡层的方法实现了NbN溥膜

10、的外延生长，厚度为90nm的NbN薄膜的超导转变温度达到了14.5KVTakashiIshiguro和KazuoMatsushima等人同样在Si基片上使用MgO作为生长NbN薄膜的过渡层，当MgO厚度小J-4nrn时呈现非晶态，生长的NbN薄膜也是非晶态。当MgO厚度大F4nm时为多晶态，其上而的NbN薄膜是多晶外延生长，l()nm厚的MgO过渡层上生长的lOnmNbN薄膜的超导转变温度就达到了14.511呦。0Dochev等人通过化学气相沉枳的方法在Si(100)基片上以3C-S1C为过渡层制备的5nm厚的NhN薄膜的超导转变温度为11.8K125在过渡层上生长的NbN薄膜的超导性能明显要

11、优直接生长的同厚度的NbN薄膜，所以研兜者一般选用这些与NbN薄膜晶恪常数村近的材料來作为生长NbN薄膜的过渡层，并且都取得了明显的效果宙于NbN薄膜的晶体结构非常的复杂.所以不同研究者的研究结果也各不相同.1.5NbN薄膜和TiN薄膜的制备方法由于NbN和TiN同屈于过渡金属氮化物，NbN薄膜和TiN薄膜的制备的方法也基本相同,它们的制备方法有很多种,主要有反应厳控溅射法(纠和脉冲激光沉积法132541不过这些制备方法孑右优劣.下而简氓介绍一下NbN溥膜和TiN薄膜的制备方法.1.幽控溅射法(MagnetronSputtering)磁控溅射制备薄膜的方法分为直流(DC)磁控溅肘法和射频(RF

12、)磁控溅射法,我们采用直流磁控溅射的方法来制备TiN薄膜和NbN薄膜。在薄膜制备的过程中,辉光放电产生的止离子经过阴极加速发击靶材表而，通过动虽转移将中性粒子、离子二次电子等炭击出把材形成羽辉，由于他场便得等离子体局域在把表而附近作摇摆式运动，延长了电子运动的路径提髙了电子和反应粒子的撞击儿率，从而达到髙速溅射的目的。羽辉中的各种粒子不断的撞击基片表面,通过成核结晶生成薄膜。磁控溅射法可以生长大而枳薄膜，并且生长的薄膜比较致密，生长的薄膜的质虽比较好孑方面的性能也比较优斤.等人通过直流磁控溅肘的方法以3C-SiC为过渡层在Si(100)基片上成功制备的单晶NbN薄膜，其中3C-S1C是通过化学

13、气相沉枳的方法在128O-C条件卜制备的，为了提髙3C-S1C结晶性能，3C-S1C过渡层的厚度控制为I微米，直接在Si呈片上生长的5nm厚的NbN薄膜的超导转变温度为9.5K,超导转变宽度为1.8K。在3CSiC上生长的4nm厚的NbN薄膜的超导转变温度就达到了ll.Sk,超导转变宽度只何1.1K,在H前相同厚度的报道中处于领先地位卩叫2.脉冲激光沉积PLD-PulsedLaserDeposition)脉冲激光沉枳法是一种真空物理沉积溥膜的方法，是将高功率脉冲激光聚焦J-把H的表rfri，激光束在短时间内使靶材的表tfri产生很髙的隘度.并且使具气化产生等离子体，其中包括中性原子、离子、原子

14、团等以一定的动能到达衬底，从而实现薄膜的沉积.Randolph等人利用PLD的方法在Mg()基片和二氣化硅基片上相同条件下制备了NbN薄膜，并对实验的样品进行了对比测试.实验过程中使用2和H2(10%)的混合气休，基片温度为6(X)*C,沉枳压强为6()亳托，然后对生长的NbN薄膜进行了晶体结构和电学性能的分析，结果发现在MgO基片上生长的NbN薄膜呈现为单晶状态，超导转变温度能够达到16.6K,临界电流密度达到Jc(4.2k)=7.1MA/cm在二氣化硅上生长的NbN薄膜呈现为多晶状态，超导转变温度只h11.3K.临界电流密度为Jc(4.2k)=1.8MA/cmW铁由此可见相同的条件下不同基

15、片上生长的NbN薄膜的超导性能各不相同，基片的选择对NbN薄膜的质虽尤为重要.口前，超导氮化抚（NbN）溥膜是制备高性能机光子超导器件（SSPD）和超导热电子测辐射热仪（HEB）的首选超导材料”绚，受到广泛的研究和关注.NbN具右较高的超导临界转变温度（T&16K）和临界电流密度.在NbN薄膜的制备过程中，一股选用hlgO基片作为生长NbN薄膜的衬底.这是因为MgO基片与NbN薄膜的晶格失配度只（44%-6%而且Mg（）基片的热稳定性也比较好，这就可以便在较高的温度下制备的NbN薄膜不受基片扩敢的彫响卩9.通常，采用磁控溅射的技术在和NbN晶恪常数相近的机晶基片（如MgO）上生长出高质量的Nb

16、N薄膜。但是，MgO基片在THz频段损耗较大，同时傲纳加工较困难.硅基NbN溥膜器件相比MgO基器件其主耍优势在：工作在THz频段损耗极低：微纳加工工艺技术成熟：容易实现超导探测器件与半导体器件的集成：成本较低.但是，tlfNbN与Si基片的晶恪失配度较大（19%）,导致硅基NbN薄膜很难实现外延生长，使其超导性能严觅下降本工作提岀使用氮化铳（TiN）作为Si和NbN的过渡层的设想：一方面，两者均为面心立方结构晶恪常数相近，因此TiN过渡层何利于NbN的生长：另一方而，TiN中的Ti和N两个元素在制备过程中即使扩散到NbN薄膜，不仅不会损害反而台利于提高其超导性能。TiN和NbN的晶休结构类似，都是而心立方