[发明专利]一种超导本征结的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导本征结的制备方法。

背景技术

超导本征结(Intrinsic Josephson junctions：IJJs)是利用超导材料天然层状 结构之间的约瑟夫逊效应构造的一种天然的约瑟夫逊结阵。由于高温超导 材料相干长度很短，目前尚无法用人工方法构造高温超导隧道结。本征结 是目前为止唯一可实现的高温超导隧道结。所制作的方法，高温超导隧道 结可以用于太赫兹信号源【R.Kleiner，Filling the Terahertz gap，Science 318， 1254-1255(2007)】、高频信号检测【H.B.Wang et al，Phys.Rev.Lett. 87，107002(2001)】以及量子电压基准【H.B.Wang et al，Appl.Phys.Lett.80， 4060(2002)】等。

传统的本征结制备方法是首先采用普通剥离方法，获得一个大小约一 个平方毫米的单晶薄片，典型厚度为50微米左右。然后将这样的单晶利用 胶(电子绝缘胶Polyimide或环氧树脂Epoxy)粘于基片表面烘干固定(见 图1)。利用这样的材料再使用微纳加工工艺，包括光刻、离子束刻蚀等， 来制备超导本征结【L.X.You et al，Single intrinsic Josephson junction fabricated from Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x single crystals，Chapter 7，edited by J.R. Tobin，ISBN 978-1-60021-848-4，Nova Science Publishers，2008】。这种方法存 在着以下几个缺点：(1)单晶的厚度和材料的穿透深度相当，当器件用作 探测器且信号从基片背面辐照时，该单晶基底会屏蔽信号从而降低探测灵 敏度；(2)厚的单晶基底以及胶的存在会影响本征结和基片之间的热量扩 散；(3)单晶平面和基片平面之间的高度差为单晶的厚度加上胶的厚度， 此外单晶的平整度也无法保证，这使得微加工工艺的精度无法得到保障。 本发明人设想如果能够有效的减小单晶的厚度，并避免使用胶，将会有效 避免或减小上述问题的影响，从而引导出本发明的构思。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超导本征结的制备方法。具体地说，本发 明预利用类似石墨烯剥离的方式，获得超薄的高温超导单晶材料。这种材 料由于质量小，厚度薄，可以很好的吸附于各种光滑的基片表面。利用微 纳加工工艺就可以在这种超导材料表面上构造高质量的本征结。

本发明所述的超导本征结的制备方法是：

(1)超导材料准备：选取高性能的超导单晶材料，比如Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x(BSCCO)，典型临界温度在约86K。将这样的单晶材料采用普通的剥离方 式获得大小约一个毫米见方的单晶薄片，典型厚度为50微米左右。剥离可 采用常见的Scotch胶带或者PE保护蓝膜。将这样的单晶薄片粘在一片胶带 上，再利用另外一片胶带剥离，这样单晶薄片会一分为二，分别有部分位 于不同的胶带上。利用这样的方法重复多次。多次剥离后，胶带/蓝膜上会 有很多肉眼无法分辨的大小和厚度均不一的单晶碎片。将这样的胶带/蓝膜 粘贴于基片表面再撕下，这样就会有很多单晶碎片粘附于基片表面。这个 方法和石墨烯的机械剥离法类似，可参考有关文献【1、A.K.Geim，Science 324，1530(2009)；2、K.S.Novoselov et al，PNAS 102，10453(2005)】。单晶 和基片之间的作用力通常被认为是分子间作用力。这些单晶的碎片大小从 几个微米到几十个微米不等，厚度从几个纳米到几百个纳米不等。所述的 基片通常可以选择透明的MgO基片、蓝宝石基片或者石英基片，表面需要 光学抛光，从而便于超导材料的吸附。

(2)保护和选择：利用热蒸发或者电子束蒸发的方法蒸发一层金属层以 保护样品，通常可选择金，典型厚度为几十纳米到两百纳米。然后可以利用 原子力显微镜或者形貌测试仪分析单晶碎片的厚度和大小。根据自己的需要 选择合适大小和厚度的单晶用于本征结制备。通常选择边长为几十个微米大 小的碎片，厚度为几十个纳米到两百个纳米。