[发明专利]液氮温区超导薄膜及其制备方法

说明书

本发明属于超导薄膜制备工艺。

本发明前，共源蒸发、化学气相沉积、反应溅射、吸气溅射等制膜工艺，制备出来的薄膜必需在液氦温区使用。在1987年2月报导了液氮温区超导材料，见参考文献，“科学通报”V01、32，NO、6（1987）412，这种超导材料不是薄膜，不实用。美国专利文献，US-4086108（78年4月25日），提供了一种半导体晶体生长方法，其方法主要是半导体材料在基片上用溅射的方法进行外延生长，溅射工艺在超导薄膜制备技术中尚有一定难度。

本发明目的在于制备液氮温区超导薄膜及采用的直流（或射频）磁控溅射法。

本发明制备工艺如下：

采用450型溅射台，化合物靶是按A_xB_5-xCu₅O_5（3-y）或A_xB_1-xCuO_3-y体系构成的四元氧化物，其中A＝Ca，Sr，Ba;B＝Sc。Y，La;X＝0.5-0.6;Y＝0.5-1，后者体系X＝0.3-0.7。A、B表示元素的氧化物或硝酸盐选用市售纯度，按比例称料，在玛瑙体中混合研磨，放在氧化铝坩埚中置于管式炉中，在700-850℃时预烧3-8小时，随后用油压机，取压强为1-2吨/cm²，压铸成型，再放在氧化铝坩埚中置于炉中，经850-1000℃烧结10-15小时，形成化合物靶。靶呈黑色，尺寸为直径60-65毫米，厚度3-5毫米。溅射室的背景真空度为1×10^-5乇，惰性气体Ar充至气氛压强为（2-8）×10^-2乇。若附加充氧，可调节膜的氧含量。基片材料选用白宝石（Al₂O₃）、石英片、氧化锆，基片加温不加温均可，加温范围为200-600℃。根据不同化合物靶，可选直流磁控溅射电压为200-500V或射频磁控溅射电压为1.5-2KV。溅射时间为0.5-2小时，形成厚为0.5-1μm的膜。在700-950℃温度范围内热处理，使膜的结晶完整，稳定薄膜性能，用电阻法或电感法可测量其超导电性。

本方法制备的薄膜在液氮温区呈现超导，见实施例。这种超导膜可做微波腔，磁悬浮等导电膜，也可在电子器件上使用，如制作电磁波探测装置，超导量子干涉器件，Jophson器件和存贮器件。超导开关元件的开关时间预测可达到10^-12秒以下，比目前所有器件的最快的开关速度高三个数量级。本发明工艺简单，可重复，稳定性好。

实施例一Sr-La-CuO薄膜

按Sr_0.5La_4.5Cu₅O_5（3-y）体系选用市售的SrO3.0674克，La₂O₃43.3916克，CuO23.5410克原料，在玛瑙钵中混合研磨，在800℃，预烧5小时，压铸成型，放干氧化铝坩埚中置于管式炉中，经900℃烧结12小时，形成化合物靶。用450型溅射台，直流磁控溅射法，溅射电压为300-450V，其溅射室的背景系统真空度为1×10^-5乇，用Ar离子溅射，气氛压强为（2-8）×10^-2乇，基片为白宝石（Al₂O₃），基片未加温，溅射时间为1-1.5小时，形成0.5-1μm膜。随后在700-800℃时，进行10分钟热处理。用电阻法或感应法均能测量出Sr-La-Cu-O薄膜的超导起始转变温度为30K，中点转变温度27K，零电阻温度14K。

实施例二Ba-Y-Cu-O薄膜

化合物靶按Ba_0.6Y_0.4CuO_3-y体系选用市售的BaCO₃21.9168克，Y₂O₃2.7864克，CuO4.908克原料，烧结方法同实施例一。采用射频磁控溅射法，其电压为1-2KV;基片加温200-500℃;其他条件同实施例一，溅射形成的膜经900-950℃，最长时间不超过5分钟的热处理。测得Ba-Y-Cu-O薄膜的超导起始转变温度为91K，中点转变温度为55K，零电阻温度为40K。