[发明专利]一种磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器

说明书

本发明公开了一种磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器，涉及低温超导探测器技术领域。本发明通过在衬底上形成预设的宿主薄膜，并在宿主薄膜的深度方向进行非均匀注入磁性离子，在宿主薄膜的深度方向上形成共存的磁性掺杂区和非掺杂区，得到磁性掺杂超导薄膜。本发明采用非均匀的离子注入方式，能够有效抑制宿主薄膜的超导特性，起到调控宿主薄膜的临界温度的目的。相对于现有技术，本发明在达到相同的临界温度调控的同时，还可以获得更低的电阻率；由于该磁性掺杂超导薄膜具有较高的稳定性，能够使超导转变边沿探测器的制备和性能避免因双层膜不稳定性带来的影响，能够极大地提高超导转变边沿探测器制备过程中和使用性能的稳定性。

技术领域

本发明涉及低温超导探测器技术领域，尤其涉及一种磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器。

背景技术

超导转变边沿探测器(Transition Edge Sensor，TES)是一类利用超导薄膜陡峭的电阻转变边沿作为其温度计的低温超导热探测器。TES探测器有着宽探测频谱、极高的灵敏度、极低的暗计数以及高能量分辨率与光子计数能力等优点，在X射线波段有着非色散光谱仪中最高的分辨率。目前国际先进的TES探测器已经实现了5.9KeV能区1.6eV的分辨率。TES的核心元件是偏置在正常态至超导态转变区间内的超导薄膜，利用其在超导转变区域内陡峭的电阻-温度(R-T)关系来作为高灵敏的温度计来使用。

临界温度Tc、转变宽度ΔT和电阻率ρ等薄膜物性参数，直接关系到TES探测器的探测性能，因此如何可靠地获取具有目标物性参数的超导薄膜一直是TES探测器研究的基础和关键。目前获取具有目标临界温度Tc的主要方式是双层膜技术，其是通过近邻效应来实现的临界温度调控。然而这种双层膜技术的可控性和稳定性较差，往往会因为薄膜沉积设备或制备工艺中的一些随机因素而失去稳定性。因此，有必要采取一种新的物性调节技术，从而能够稳定可靠地获取具有目标物性参数的超导薄膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器，用以克服上述背景技术中的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明一方面提供一种磁性掺杂超导薄膜的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底，在所述衬底上形成预设的宿主薄膜；

采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和所述宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得所述磁性离子在所述预设的注入深度范围内浓度一致；

按照离子能量从高到低的顺序，沿所述宿主薄膜的深度方向注入所述磁性离子，在所述宿主薄膜的深度方向形成共存的磁性掺杂区和非掺杂区，得到磁性掺杂超导薄膜。

进一步地，在提供一衬底，在所述衬底上形成预设的宿主薄膜的步骤中，通过磁控溅射、电子束蒸发或原子层沉积的方式形成所述宿主薄膜。

进一步地，在提供一衬底，在所述衬底上形成预设的宿主薄膜的步骤中，所述宿主薄膜的材料为Al、W、Ti或Mo。

进一步地，在提供一衬底，在所述衬底上形成预设的宿主薄膜的步骤中，所述宿主薄膜的厚度为200～500nm。

进一步地，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和所述宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得所述磁性离子在所述预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，所述预设的注入深度为所述宿主薄膜的厚度的1/2～1/3。

进一步地，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和所述宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得所述磁性离子在所述预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，所述磁性离子为Mn、Fe或Co。