[发明专利]一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法

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过渡层的方法。

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。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℃的高温氧气环境下，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。

然而，现在微电子器件常用蓝宝石（R-Al₂O₃）基片，它的介电常数小且介质损耗小，它的微波性能好以及强度大等优势被广泛选用。但实践证明，蓝宝石淀积的薄膜基片和YBCO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，目前用于过渡层的材料主要有：以MgO、CeO₂、YSZ、Tb₂O₃、Y₂O₃、Gd₂O₃和Eu₂O₃等为代表的简单氧化物，还有以SrTiO₃、LaAlO₃、LaMnO₃和SrRuO₃等为代表的钙钛矿结构（ABO₃）的氧化物，以及以La₂Zr₂O₇(LZO)、Gd₂Zr₂O₇和Gd₂Nb₂O₇等为代表的烧绿石结构（A₂B₂O₇）的氧化物等。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。这一思路主要使用PLD、热蒸发和溅射法制备YBCO/过渡层/Al₂O₃结构的过渡层和超导薄膜层，然而这些方法生长的过渡层有较多的空穴和错位缺陷、质量不高且制备出的YBCO外延薄膜质量严重下降。针对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的问题，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，如何在氧化铝晶体基底上制备高质量的过渡层薄膜将直接决定外延的YBCO薄膜的质量，探索优良的过渡层薄膜制备方法是个关键问题。

发明内容

为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，探索优良的过渡层薄膜制备方法，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，该方法采用在高纯铝阳极氧化技术制备的氧化铝晶体基底上用有机盐沉积法和溶胶凝胶法外延生长YBCO超导层的过渡层薄膜。

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过渡层的方法，其特征在于具体步骤为：

（1）氧化铝晶体基底的制备，将0.2mm厚的铝片剪切后放入丙酮中超声清洗15分钟，再将超声清洗后的铝片在350℃的温度下隔绝空气退火3小时，将退火处理后的铝片进行电化学抛光，以退火处理后的铝片作为阳极，圆形铜片作为阴极，阴阳两极平行相对，以体积比为5:1的乙醇和高氯酸的混合溶液作为电解液，在20V的电压和6-8℃的温度下电解直至铝片表面一层黑色薄膜退去，电解后用60℃热水冲洗表面的电解液，然后以预处理后的铝片作为阳极，铂电极作为阴极，在醋酸溶液中于5℃进行阳极氧化直至铝片变为透明的氧化铝为止，其中氧化的电压为45V，最后将得到的氧化铝基底用高纯水清洗后置于退火炉中，在高纯氧气气氛下以50℃/s的升温速率升温至800℃保温1小时，然后随炉冷却后制得氧化铝晶体基底；