[发明专利]二次掩膜法制备二硼化镁超导约瑟夫森结的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导薄膜约瑟夫森结的制备方法。

背景技术

Josephone（约瑟夫森）结是超导弱电应用的关键，自从2001年1月日本Akimitsu等人发现的临界转变温度为39K的二硼化镁超导体(Nature410(2001)63)以来，各国科学家对其约瑟夫森结的制备产生了很大的兴趣，积极探索各种方法制备高质量MgB₂超导约瑟夫森结。MgB₂具备较高的临界转变温度Tc，简单的结构，对传输电流透明的晶粒间界，弱的各向异性和较长的相干长度(ξab(0)=3.7～12nm)。由于其临界温度远高于常规超导体，相干长度和载流子浓度都比高温氧化物超导体有数量级的提高，因此，使得MgB₂成为制备约瑟夫森结较为理想的超导材料。

当前制备二硼化镁超导约瑟夫森结一般采用先在衬底上制备出底层二硼化镁超导薄膜，然后在其上沉积势垒层，再在势垒层上沉积并制备出顶层二硼化镁超导薄膜，最终实现夹层式（或三明治型）二硼化镁超导约瑟夫森结的制备。在制备过程中，由于超导薄膜的成膜温度一般高于500℃，并且所需退火时间皆在数分钟到十几分钟以上，因而在制备约瑟夫森结的整个退火过程中很难避免势垒层与超导层之间的成份扩散，退火时间越长则扩散越严重，从而破坏隧道结的形成，使超导隧道结的制备面临很大的困难。因此如果能够在保证Mg、B充分发生化学反应生成MgB₂的基础上大幅度减小超导薄膜的退火时间，则会相对减少势垒层与超导层之间的成份扩散，使得超导层/势垒层之间的界面更清晰，将会制备出更高质量的二硼化镁超导约瑟夫森结。

文献“硅衬底MgB₂—B—MgB₂超导SNS约瑟夫森结的制备与特性”（柯一青、周迪帆、刘珏、曾敏、朱红妹、张义邴，第31卷第2期，第166-167页，2009年5年）和中国专利2011120328538.1“电子束退火制备二硼化镁超导约瑟夫森结的方法”都提出了二硼化镁超导约瑟夫森结的制备工艺。

文献“硅衬底MgB₂—B—MgB₂超导SNS约瑟夫森结的制备与特性”利用两步原位电子束蒸发技术，在Si(111)衬底上蒸镀[Mg/B]-B-[Mg/B]先驱膜，然后后退火的方式制备出了MgB₂-B-MgB₂超导SNS约瑟夫森结。其制备工艺具体为：在UTT400超高真空镀膜仪中，背景真空为1×10^-7mbar的蒸镀条件下，Mg和B层按1:2原子比在Si衬底上交替获得[B(10nm)/Mg(15.1nm)]_N共300nm厚的周期结构(N=12)，作为底层MgB₂的先驱膜；然后蒸镀一定厚度的B层作为势垒层(B层度分别为5nm，10nm，20nm，30nm，50nm，80nm，100nm)；随后在B势垒层上按照相同工艺交替沉积[B(10nm)/Mg(15.1nm)]N共300nm厚的周期结构，作为顶层MgB₂的先驱膜。蒸镀完毕后，在1×10²Pa的Ar气氛中，以625℃的温度原位退火30分钟，制得MgB₂超导薄膜SNS夹心结。