[发明专利]一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于超导材料的制备技术领域，具体涉及一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜的方法。

背景技术

目前的集成电子器件基本都是以薄膜材料为基础，由于高温超导薄膜具有优异的电学性能，因此受到广泛的研究和重视，其中YBa₂Cu₃O_7－δ（YBCO）超导薄膜已经应用于滤波器。YBCO超导体是层状钙钛矿型结构，正交晶系，晶格常数为：a=0.38177nm，b=0.38836nm，c=1.16872nm，其超导转变温度Tc=92K。通常YBCO薄膜的导电是需要超导电子尽可能的沿a-b平面（Cu-O导电层）传导，这就需要YBCO晶粒沿c轴外延生长，而且要尽量避免a轴或者其它取向生长。因为a轴生长的晶粒会引入大角度晶界，不利于YBCO薄膜的超导电性能。为了保证YBCO薄膜的性能，超导薄膜必须是制备在晶格匹配的衬底上，在衬底表面上原子的周期性排列必须与高温超导体中原子的周期性排列近似对应，以使外延生长成为可能，称为晶格匹配过程。另外，由于高温超导薄膜的制备需要在500-1000℃的高温条件下进行，而且要求薄膜是外延生长的，这就对基片提出了以下要求：在高温过程中，要求基片与薄膜之间没有扩散，即使有很少的扩散也不能影响薄膜的超导性能；为避免在成膜过程或实际应用中由于温度的升降循环导致薄膜产生微裂纹，要求基片的热膨胀系数与超导材料的接近；基片材料能够生长出尺寸足够大的单晶，有足够的机械强度及化学稳定性。目前，已有SrTiO₃、LaAlO₃、MgO和YSZ等单晶材料满足高温超导薄膜外延生长的基底要求。

然而，现在微波器件常用的蓝宝石（R- Al₂O₃）基底，它的介电常数小且介质损耗小，它的微波性能最好。但实践证明，蓝宝石淀积的薄膜基片和膜之间还会发生严重的扩散，并且与YBCO的晶格匹配关系不好，必要通过处理来解决这些问题。使用过渡层改善其与 YBCO薄膜的兼容性是一个有效的手段，在单晶基片上使用的过渡层有CeO₂、YSZ、MgO和STO等，这些过渡层具有较好的化学稳定性，与YBCO有较好的晶格匹配关系。目前，这一思路主要使用PLD、热蒸发和溅射法制备YBCO/CeO₂/Al₂O₃晶片，由这些方法生长出的YBCO外延薄膜存在较多空穴缺陷且质量不高，而且制备这种薄膜尺寸受制备条件限制，蓝宝石成本相对较高，这些都限制了YBCO外延薄膜的应用。为了解决单晶蓝宝石基片加工中存在的问题和大面积的蓝宝石成本较高问题，本发明采用高纯铝阳极氧化技术制备了廉价的高表面质量的氧化铝晶体基底，为了解决溅射镀膜法制备YBCO/过渡层/Al₂O₃过渡层薄膜质量不高的问题，本发明在高纯铝阳极氧化技术制备的氧化铝基底上用有机盐沉积法（MOD, Metal Organic Deposition）和溶胶凝胶法（Sol-gel）外延生长过渡层薄膜，然而如何在过渡层/Al₂O₃晶片上制备高质量的超导薄膜是一个亟待研究解决的问题。

发明内容

为克服使用大面积的蓝宝石作为基底成本较高、溅射镀膜法制备YBCO/CeO₂/Al₂O₃过渡层薄膜质量不高和薄膜尺寸受制备条件限制等问题，本发明提供了一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜的方法，该方法采用高纯铝阳极氧化技术制备氧化铝晶体基底，用有机盐沉积法和溶胶凝胶法在氧化铝晶体基底上外延生长CeO₂过渡层和YBCO超导层。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜的方法，其特征在于具体步骤为：