專利名稱：一種超導(dǎo)本征結(jié)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)本征結(jié)的制備方法。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)本征結(jié)(Intrinsic Josephson junctions =IJJs)是利用超導(dǎo)材料天然層狀結(jié)構(gòu)之間的約瑟夫遜效應(yīng)構(gòu)造的一種天然的約瑟夫遜結(jié)陣。由于高溫超導(dǎo)材料相干長度 很短，目前尚無法用人工方法構(gòu)造高溫超導(dǎo)隧道結(jié)。本征結(jié)是目前為止唯一可實(shí)現(xiàn)的高溫 超導(dǎo)隧道結(jié)。所制作的方法，高溫超導(dǎo)隧道結(jié)可以用于太赫茲信號(hào)源R. Kleiner，F(xiàn)illing the Terahertz gap, Science 318，1254-1255 (2007)、高頻信號(hào)檢測H. B. Wang et al, Phys. Rev. Lett. 87,107002 (2001)]以及量子電壓基準(zhǔn)H. B. Wang et al, Appl. Phys. Lett. 80，4060 (2002)等。傳統(tǒng)的本征結(jié)制備方法是首先采用普通剝離方法，獲得一個(gè)大小約一個(gè)平方毫米 的單晶薄片，典型厚度為50微米左右。然后將這樣的單晶利用膠(電子絕緣膠Polyimide 或環(huán)氧樹脂Epoxy)粘于基片表面烘干固定(見圖1)。利用這樣的材料再使用微納加工 工藝，包括光刻、離子束刻蝕等，來制備超導(dǎo)本征結(jié)L.X. You et al, Single intrinsic Josephson junctionfabricated from Bi2Sr2CaCu208+x single crystals, Chapter 7, edited by J. R. Tobin, ISBN 978-1-60021-848-4，Nova Science Publishers，2008。這種 方法存在著以下幾個(gè)缺點(diǎn)(1)單晶的厚度和材料的穿透深度相當(dāng)，當(dāng)器件用作探測器且 信號(hào)從基片背面輻照時(shí)，該單晶基底會(huì)屏蔽信號(hào)從而降低探測靈敏度；(2)厚的單晶基底 以及膠的存在會(huì)影響本征結(jié)和基片之間的熱量擴(kuò)散；(3)單晶平面和基片平面之間的高度 差為單晶的厚度加上膠的厚度，此外單晶的平整度也無法保證，這使得微加工工藝的精度 無法得到保障。本發(fā)明人設(shè)想如果能夠有效的減小單晶的厚度，并避免使用膠，將會(huì)有效避 免或減小上述問題的影響，從而引導(dǎo)出本發(fā)明的構(gòu)思。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超導(dǎo)本征結(jié)的制備方法。具體地說，本發(fā)明預(yù)利用類 似石墨烯剝離的方式，獲得超薄的高溫超導(dǎo)單晶材料。這種材料由于質(zhì)量小，厚度薄，可以 很好的吸附于各種光滑的基片表面。利用微納加工工藝就可以在這種超導(dǎo)材料表面上構(gòu)造 高質(zhì)量的本征結(jié)。本發(fā)明所述的超導(dǎo)本征結(jié)的制備方法是(1)超導(dǎo)材料準(zhǔn)備選取高性能的超導(dǎo)單晶材料，比如Bi2Sr2CaCU208+x (BSCCO)，典 型臨界溫度在約86K。將這樣的單晶材料采用普通的剝離方式獲得大小約一個(gè)毫米見方的 單晶薄片，典型厚度為50微米左右。剝離可采用常見的Scotch膠帶或者PE保護(hù)藍(lán)膜。將 這樣的單晶薄片粘在一片膠帶上，再利用另外一片膠帶剝離，這樣單晶薄片會(huì)一分為二，分 別有部分位于不同的膠帶上。利用這樣的方法重復(fù)多次。多次剝離后，膠帶/藍(lán)膜上會(huì)有很 多肉眼無法分辨的大小和厚度均不一的單晶碎片。將這樣的膠帶/藍(lán)膜粘貼于基片表面再撕下，這樣就會(huì)有很多單晶碎片粘附于基片表面。這個(gè)方法和石墨烯的機(jī)械剝離法類似，可 參考有關(guān)文獻(xiàn)1、Α· K. Geim，Science324，1530(2009) ；2,K. S. Novoselov et al，PNAS 102， 10453(2005)。單晶和基片之間的作用力通常被認(rèn)為是分子間作用力。這些單晶的碎片大 小從幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米不等，厚度從幾個(gè)納米到幾百個(gè)納米不等。所述的基片通?？?以選擇透明的MgO基片、藍(lán)寶石基片或者石英基片，表面需要光學(xué)拋光，從而便于超導(dǎo)材料 的吸附。(2)保護(hù)和選擇利用熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)的方法蒸發(fā)一層金屬層以保護(hù)樣 品，通?？蛇x擇金，典型厚度為幾十納米到兩百納米。然后可以利用原子力顯微鏡或者形貌 測試儀分析單晶碎片的厚度和大小。根據(jù)自己的需要選擇合適大小和厚度的單晶用于本征 結(jié)制備。通常選擇邊長為幾十個(gè)微米大小的碎片，厚度為幾十個(gè)納米到兩百個(gè)納米。(3)本征結(jié)的制備通常采用傳統(tǒng)的臺(tái)式結(jié)構(gòu)，a)首先利用普通光刻構(gòu)造臺(tái)面，再 利用Ar離子束刻蝕方法，獲得一個(gè)具有一定高度的臺(tái)面。臺(tái)面的高度由刻蝕時(shí)間和刻蝕速 率決定；b)然后再次利用光刻和離子束刻蝕方法構(gòu)造電極。電極的數(shù)量和大小根據(jù)測試需 要決定。為了除去接觸電阻和表面結(jié)的影響，通常在本征結(jié)臺(tái)面上構(gòu)造兩個(gè)頂電極，本征結(jié) 基底上構(gòu)造兩個(gè)底電極。從而可以利用四弓丨線方式實(shí)現(xiàn)本征結(jié)的測試。傳統(tǒng)的超導(dǎo)本征結(jié)是采用一個(gè)較大的剝離的超導(dǎo)單晶薄片。這種薄片尺寸通常 為 ImmX ImmX 50um(厚度)，將這種單晶用膠固定在基片上，然后采用微納加工工 藝制備。傳統(tǒng)的方法制備的器件受到膠和材料厚度的影響，器件到襯底的熱擴(kuò)散效果很差。 此外幾十微米厚的材料基地會(huì)屏蔽電磁波，從而影響器件作為探測器的性能。本發(fā)明公開 了一種超導(dǎo)本征結(jié)制備方法。采用超薄單晶作為襯底。該單晶采用類似石墨烯的剝離方法， 依靠分子間作用力吸附在襯底表面上。通過這種方式，可以獲得厚度不大于200nm的超薄 單晶。而該單晶具有和體材料一致的超導(dǎo)電性。典型的超薄單晶的邊長通?？梢赃_(dá)到幾十 微米。這樣的尺寸足夠超導(dǎo)本征結(jié)的制備。我們利用該方法制備了臺(tái)式結(jié)構(gòu)的本征結(jié)。本 征結(jié)的性能測試顯示該種方法制備的本征結(jié)典型電輸運(yùn)特性和厚襯底制備的本征結(jié)具有 一致性。由此可見，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是(1)采用了超薄的單晶，厚度 遠(yuǎn)小于材料的穿透深度，從而可以有效的吸收被探測的信號(hào)。同時(shí)薄的超導(dǎo)單晶有助于本 征結(jié)和基片之間的熱擴(kuò)散；(2)制備過程沒有采用膠固定工藝，可以有助于超導(dǎo)材料和基 片之間的熱擴(kuò)散。(3)單晶表面和基片之間的高度差僅為單晶本身厚度，從幾十到一兩百納 米，與薄膜的厚度相當(dāng)。因此不存在和基片之間明顯的高度差，有利于微納加工工藝，特別 是光刻工藝中精細(xì)圖形的實(shí)施。


圖1 普通單晶固定于基片上的三維顯微照片。圖形下方平整部分為基片；上側(cè)平整部分為超導(dǎo)單晶材料；中間部分為固定用電子絕緣膠。超導(dǎo)單晶表面和基片之間高度差 約50微米，其包含單晶的厚度和膠的厚度。圖2 超薄單晶固定于基片上的AFM圖。圖3 利用超薄單晶制備的一個(gè)超導(dǎo)本征結(jié)光學(xué)照片圖。圖4 為圖3制備的本征結(jié)的電流_電壓特性曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例的介紹，進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。實(shí)施例1本發(fā)明所述超導(dǎo)本征結(jié)制備步驟是1、利用浮區(qū)法生長出高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)BSCCO單晶，典型臨界溫度Tc > 85K ；2、利用膠帶或藍(lán)膜剝離獲得大量碎片單晶并粘附于基片表面，其中一個(gè)單晶碎片原子力顯微圖片見圖2 ；單晶和基片高度差約30nm，單晶邊長約20微米；基片為透明MgO基 片式藍(lán)寶石基片；3、在單晶表面上蒸發(fā)一層Au層，選擇尺寸大于20微米X20微米的超導(dǎo)單晶薄 片，典型厚度為30-200納米。這樣的超導(dǎo)單晶薄片可用于本征結(jié)制備；4、采用光刻方法構(gòu)造臺(tái)式結(jié)構(gòu)，臺(tái)式結(jié)構(gòu)大小根據(jù)本征結(jié)需要的面積確定。然后 使用Ar離子束刻蝕，形成一定厚度的BSCCO臺(tái)面。臺(tái)面高度根據(jù)所需要的結(jié)的個(gè)數(shù)來確 定?？涛g速率通常為1-lOnm/min，低速刻蝕可以避免過熱從而影響結(jié)的性能。根據(jù)刻蝕速 率和刻蝕時(shí)間便可以確定臺(tái)面的高度。超聲清洗方式去除殘余的光刻膠。再蒸發(fā)一層Au 層(厚度50-150納米)，光刻形成電極結(jié)構(gòu)，離子束刻蝕形成有效電極圖形?？涛g速率同 上?？涛g時(shí)間根據(jù)需要的結(jié)的個(gè)數(shù)來確定。再采用超聲清洗方式即可除去多余的光刻膠， 從而形成帶有電極結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)本征結(jié)(見圖3)，圖中中間一對(duì)細(xì)長型電極為臺(tái)式結(jié)構(gòu)上面 的頂電極，左右各有一對(duì)面積較大的的電極均可以作為底電極。圖4為所制備的本征結(jié)的 I-V特性曲線，該曲線的不同準(zhǔn)粒子分支具有很一致的臨界電流，顯示本征結(jié)中的結(jié)具有很 好的均勻性。根據(jù)分支的數(shù)目可得出臺(tái)式結(jié)構(gòu)中共有8個(gè)結(jié)。實(shí)施例2所述的基片為石英基片，其余同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
一種本征結(jié)制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)高溫超導(dǎo)單晶生長；(2)剝離并重復(fù)多次使超薄單晶碎片粘附于基片表面；(3)超薄單晶保護(hù)和選擇；(4)本征結(jié)的制備；其中，①步驟2剝離采用膠帶或PE保護(hù)藍(lán)膜，超薄單晶碎片大小從幾個(gè)微米到幾十微米，厚度從幾個(gè)納米到幾百納米；②步驟3超薄單晶的保護(hù)是在其上蒸發(fā)一層金層，選擇用于本征結(jié)制備的單晶邊長為幾十微米大小的碎片，厚度為幾十納米到200納米；③步驟4本征結(jié)的制備a)首先利用普通光刻構(gòu)造臺(tái)面；然后用Ar離子束刻蝕方法制備一個(gè)一定高度的臺(tái)面；b)再次利用光刻和離子束刻蝕方法構(gòu)造電極，包括頂電極和底電極。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟2中所述的基片為透明的MgO基片、藍(lán)寶石基片或石英基片。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于透明基于表面經(jīng)光學(xué)拋光，以利于超導(dǎo)材料 的吸附。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用剝離的方式得到單晶薄片尺寸為1毫米 見方，厚度為50微米。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的膠帶為scotch膠帶。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟2所述的單晶碎片粘附于基體表面與石 墨烯的機(jī)械剝離相似。
7.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的高溫超導(dǎo)為Bi2Sr2CaCU208+x，Tc> 85k。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟4中所述的刻蝕速率為1-lOnm/min。
9.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟3所述的金層厚度為50-150nm，是用熱 蒸法或電子束蒸發(fā)方法實(shí)施的。
10.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的兩個(gè)頂電極和兩個(gè)底電極利用四引 線方式實(shí)現(xiàn)本征結(jié)的測試。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種本征結(jié)的制備方法，包括(1)高溫超導(dǎo)單晶生長；(2)剝離并固定超薄單晶于基片上；(3)超薄單晶選擇及厚度確定；(4)本征結(jié)制備；其中，步驟(2)中，通過多次剝離BSCCO單晶薄片，將肉眼看不到的單晶碎片吸附于基片表面。步驟(3)根據(jù)需要選擇合適大小和厚度的單晶用于本征結(jié)制備。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)采用了超薄的單晶，厚度遠(yuǎn)小于材料的穿透深度，從而可以有效的吸收被探測信號(hào)。同時(shí)薄超導(dǎo)單晶有助于本征結(jié)和基片之間的熱擴(kuò)散；(2)制備過程沒有采用膠固定工藝，有助于超導(dǎo)材料和基片之間的熱擴(kuò)散；(3)單晶表面和基片之間的高度差僅為單晶本身厚度，從幾十到幾百納米，和薄膜厚度相當(dāng)。
文檔編號(hào)H01L39/24GK101820046SQ201010143759
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者尤立星, 王興 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所