MgO 襯底上YBa2Cu3O7– δ 臺階邊沿型約瑟夫森結的制備及特性*

王宏章 李宇龍 徐鐵權 朱子青 馬平 王越 甘子釗

(北京大學物理學院,北京大學應用超導研究中心,人工微結構和介觀物理國家重點實驗室,北京 100871)

MgO 襯底上的YBa2Cu3O7–δ (YBCO)臺階邊沿型約瑟夫森結(臺階結)在高靈敏度高溫超導量子干涉器(superconducting quantum interference device,SQUID)等超導器件研制方面具有重要的應用價值和前景.本文對此類YBCO 臺階結的制備和特性進行了研究.首先利用離子束刻蝕技術和兩步刻蝕法在MgO(100)襯底上制備陡度合適、邊沿整齊的臺階,然后利用脈沖激光沉積法在襯底上生長YBCO 超導薄膜,進而利用紫外光刻制備出YBCO 臺階結.在結樣品的電阻-溫度轉變曲線中,觀測到低于超導轉變溫度時的電阻拖尾現象,與約瑟夫森結的熱激活相位滑移理論一致.伏安特性曲線測量表明結的行為符合電阻分路結模型,在超導轉變溫度TC 附近結的約瑟夫森臨界電流密度JC 隨溫度T 呈現出 ( TC ?T)2 的變化規律,77 K 時JC 值為1.4×105 A/cm2.利用制備的臺階結,初步制備了YBCO 射頻高溫超導SQUID,器件測試觀察到良好的三角波電壓調制曲線,溫度77 K、頻率1 kHz 時的磁通噪聲為250 μ Φ0/Hz1/2 .本文結果為進一步利用MgO 襯底YBCO 臺階結研制高性能的高溫超導SQUID 等超導器件奠定了基礎.

1 引 言

約瑟夫森結在超導量子干涉器(superconducting quantum interference device,SQUID)[1,2]、超導量子計算[3,4]、量子電壓基準[5]等方面都具有重要應用.基于銅氧化物高溫超導材料的高溫超導約瑟夫森結可工作于液氮溫度(77 K),制冷要求較低,為其在相關領域的應用帶來了便利[1,6,7].鑒于材料本身的特性,高溫超導約瑟夫森結的制備形式包括晶界結[1,8,9]、斜坡邊緣結[1]、以及本征約瑟夫森結[10]等不同類別.針對YBa2Cu3O7–δ(YBCO)高溫超導材料開發的臺階邊沿型約瑟夫森結(臺階結)為晶界結的一種,廣泛應用于高溫超導SQUID器件研制等領域[1,11,12].它是指在單晶襯底上制備出臺階結構,然后在上面生長高溫超導薄膜,進而由臺階邊沿處薄膜的晶向差異而得到的一種晶界結,具有制備成本較低、結的位置及相應的器件設計較為靈活自由等優點.制備YBCO 臺階結常用的單晶襯底有SrTiO3(STO),LaAlO3(LAO)以及MgO 等.相對于STO 和LAO 襯底,MgO 襯底與YBCO 的晶格失配度較大(約9%),同時MgO 襯底易被水潮解和被酸腐蝕[13],因此MgO 襯底上YBCO 臺階結的制備工藝和微觀結構都與前兩種襯底上不同[14,15].

近期國際上的研究表明,MgO 襯底上的YBCO 臺階結在THz 探測器、特別是高靈敏度高溫超導SQUID 等器件研制方面具有重要的應用價值和前景.澳大利亞Mitchell 和Foley[16]報道MgO襯底上的YBCO 臺階結可具有高的特征電壓VC=ICRn,其中IC為結的臨界電流,Rn為結的正常態電阻.利用這一特性,澳大利亞Du 等[6,17]研制了基于MgO 襯底YBCO 臺階結的THz 探測器,首次成功實現了液氮溫度77 K 下的高溫超導THz成像.德國萊布尼茨研究所Kaczmarek 等[18]利用MgO 襯底YBCO 臺階結研制了用于地球物理研究的高溫超導直流(direct current,DC) SQUID器件.他們采用生長YBCO/STO/YBCO 三層薄膜的方式以提高YBCO 薄膜和臺階結的性能,制備出的DC SQUID 的磁場靈敏度白噪聲段可達20 fT/Hz1/2.德國尤利希研究中心Faley 等[19]也利用MgO 襯底YBCO 臺階結對高溫超導DC SQUID 的制備進行了研究.通過對臺階刻蝕工藝的控制,并使用同樣在MgO 襯底上制備的YBCO 磁通變換器,制備出了77 K 時磁場靈敏度約為4 fT/Hz1/2的高溫超導DC SQUID,與液氦溫度4.2 K 下工作的低溫超導DC SQUID 的磁場靈敏度處于同一量級水平.該小組進一步利用研制的DC SQUID 進行了腦磁信號的測量,獲得了與使用低溫超導DC SQUID 相似的信噪比,展現了器件在腦磁圖等弱磁測量方面的應用潛力.

在上述背景下,本文對MgO 襯底上YBCO臺階結的制備進行了探索和研究.通過襯底刻蝕、薄膜生長等工藝制備了MgO 襯底YBCO 臺階結,并對結的輸運特性進行了測量.利用研制的臺階結,初步制備了高溫超導射頻(RF) SQUID,并對器件的噪聲性能進行了測試表征.

2 實 驗

本文YBCO 臺階結的制備主要包括MgO(100)襯底上臺階的刻蝕、YBCO 薄膜的生長、以及結區圖形的光刻等步驟流程.臺階的刻蝕以光刻膠為掩模、通過兩步法Ar 離子束刻蝕來實現,在后文中將進一步描述.YBCO 薄膜的生長方法為脈沖激光沉積法(pulsed laser deposition,PLD),生長溫度為730 ℃,O2分壓為50 Pa.通過傳統的紫外曝光和磷酸濕法刻蝕來定義結區圖形,從而最終實現YBCO 臺階結的制備.

利用FEI Nova NanoSEM 430 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)對YBCO薄膜和MgO 襯底臺階的形貌進行了考察,利用Alpha-Step D-600 探針輪廓儀對YBCO 薄膜的厚度和MgO 襯底臺階的高度等進行了測量.YBCO薄膜和臺階結的輸運特性測量在液氮低溫恒溫器中完成.利用Keithley 6221 型電流源和2182A型納伏表,通過四引線法[20]測量了YBCO 薄膜和臺階結的電阻-溫度(R-T)轉變曲線及伏安(V-I)特性曲線.

采用與之前文獻報道類似的圖形結構[11],制備了包含MgO 襯底YBCO 臺階結的RF SQUID芯片,并將其和超導諧振器[21]組合,制備了YBCO RF SQUID 器件.結合讀出電路,采用磁通鎖定環路(flux-locked loop,FLL)方式,并利用Tektronix MDO3052 示波器及Agilent 35670A 動態信號分析儀等測試儀表,對RF SQUID 器件77 K 時的工作特性進行了表征.表征時器件放置在液氮杜瓦內,杜瓦置于五層坡莫合金磁屏蔽筒內.

3 實驗結果與分析

3.1 YBCO 超導薄膜的表征

通過對PLD 法薄膜生長參數的調節和優化,在MgO (100)襯底上制備了表面形貌和超導特性良好的YBCO 薄膜.圖1(a)顯示了薄膜的SEM圖像,可以看到除了一些離散的、淺灰色條狀小晶粒外,薄膜表面致密均勻,呈現出PLD 法c 軸外延生長YBCO 薄膜的典型形貌[22].利用紫外曝光和濕法刻蝕,在厚度為180 nm 的YBCO 薄膜上制備出寬度為9 μm、長度為200 μm 的線條,采用四引線法測得其R-T 曲線和77 K 時的V-I 特性曲線,分別如圖1(b)和圖1(c)所示.從圖1(b)可以看到,在正常態薄膜的電阻率隨溫度線性變化,在室溫295 K 時約為260 μΩ·cm,與文獻報道的YBCO 單晶的結果接近[23].取超導轉變中點的溫度為超導轉變溫度TC,超導轉變10%—90%之間的間隔為超導轉變寬度ΔTC,則由圖1(b)中的插圖可知,薄膜的TC= 88.2 K,ΔTC= 0.8 K.TC值高于德國萊布尼茨研究所Kaczmarek 等[18]在MgO 襯底上生長的單層YBCO 薄膜的值(86 K),與其生長的YBCO/STO/YBCO 三層薄膜的值(88—90 K)相仿.由圖1(c),取V-I 曲線上電壓從實驗精度內的零值轉變到1 μ時的電流為超導臨界電流,測得薄膜的超導臨界電流密度JC為1.9×106A/cm2,達到文獻報道的較好水平[22].上述結果顯示,MgO 襯底上生長的YBCO 薄膜的超導特性與STO 等襯底上生長的、用于約瑟夫森結或SQUID 制備的YBCO 薄膜的特性相似[1],適用于后續臺階結的制備.

3.2 MgO 襯底臺階的刻蝕

圖1 MgO (100)襯底上YBCO 薄膜的表征 (a) SEM 圖; (b)電阻-溫度(R-T)曲線,插圖為超導轉變區域的放大; (c) 77 K 時的伏安(V-I)特性曲線Fig.1.Characterization of YBCO film on MgO (100) substrate: (a) SEM image; (b) R-T curve with the inset showing a magnified view of the superconducting transition; (c) V-I curve at 77 K.

圖2 MgO 襯底上臺階的兩步法離子束刻蝕制備 (a)第一步刻蝕示意圖; (b)第二步刻蝕示意圖; (c)第一步刻蝕后測得的臺階輪廓圖; (d)第二步刻蝕后測得的臺階輪廓圖Fig.2.Fabrication of step on MgO substrate by using two-stage ion beam etching: (a) Schematic of the first ion beam etching;(b) schematic of the second ion beam etching; (c) step profile after the first etching measured by a stylus profiler; (d) step profile after the second ion beam etching.

制備MgO 襯底臺階的兩步刻蝕法[15,16,19,24]如圖2(a)和圖2(b)所示.在第一步刻蝕中,首先利用光刻在襯底表面形成光刻膠圖案,如圖2(a)所示,然后以光刻膠為掩模,利用Ar 離子束對襯底進行刻蝕.刻蝕時Ar 離子束在襯底表面的入射角,即Ar 離子束與襯底表面法線方向的夾角為α.文獻結果表明[14,15,18],α 的大小對MgO 襯底的刻蝕速率、臺階的形貌等都有重要影響.為進一步調節光刻膠和MgO 襯底的相對刻蝕速率,還需將襯底在載物臺平面上(即以襯底的法線為軸)旋轉β 角度,如圖2(a)所標記.改變β 可改變入射離子束與MgO 晶格點陣的角度關系,從而影響襯底的刻蝕速率[15],文獻中[15,16,18]一般取β = 10°.

在第一步刻蝕中,刻蝕濺射出來的MgO 等物質在臺階上沿可能會再沉積,累積之后在臺階上沿表面處形成凸起,即形成“兔耳”(rabbit ear)狀的結構[15,16,24].為核實這一情況,在第一步刻蝕完成后,用丙酮將光刻膠去除,通過探針輪廓儀對臺階進行了測量,結果如圖2(c)所示.可以看到,在臺階上沿處的確出現如兔耳狀的凸起.這樣的凸起對后續YBCO 薄膜的生長和臺階結的制備會產生相當負面的影響,需要將其去除,這也正是第二步刻蝕的一個主要目的.如圖2(b)所示,在第二步刻蝕中,Ar 離子束沿著襯底表面法線方向垂直入射到襯底上,將兔耳狀的凸起去除的同時,也具有清潔襯底的作用[15,16,24].圖2(d)顯示了第二步刻蝕后探針輪廓儀對臺階的測量結果.可以看到,與圖2(c)相比,臺階上沿處的兔耳狀凸起已基本消失不見,證實了第二步刻蝕的作用.圖2(b)中同時示意地畫出了制備得到的MgO 襯底臺階的形貌: 在圖2(a)中迎著入射離子束的光刻膠側面處,襯底上形成比較陡峭的臺階,用于臺階結的制備; 距離這一臺階稍遠的刻蝕區域,由于相平行的光刻膠的側面(圖2(a)中未畫出)背向入射離子束,襯底上僅出現比較平緩的斜坡.

在β = 10°的條件下,利用SEM 測量研究了α 在0°—70°之間變化時對臺階的刻蝕及形貌的影響.總體上發現,隨著α 的增大,刻蝕得到的臺階角度θ (臺階表面與襯底平面之間的夾角)也增大,在α = 65°時達到極值,然后又稍減小.同時,在α =45°附近時,觀察到臺階下沿底部出現溝槽狀的過刻蝕現象.圖3 展示了α = 65°時制備的臺階的SEM 形貌圖.圖3(a)為臺階的斷面測量,可看到臺階上下邊沿都比較銳利,臺階角度θ = 34°.從圖3(b)的臺階斜視圖可進一步看出,順著臺階表面,臺階邊沿都比較整齊均勻.圖3(c)和圖3(d)分別為背向離子束入射區域襯底的斷面和斜視圖,可以看到,此刻蝕區域內襯底上僅出現很平緩的斜坡,與圖2(b)中的示意一致.這將保證只在圖3(a)和圖3(b)中所示的襯底臺階處形成臺階結,有利于結的性能的調控及相關超導器件的研制.

根據以上結果,本文選定α = 65°來進行θ =34°臺階的刻蝕及臺階結的制備.對MgO 襯底,文獻研究表明,θ 達到19°時,臺階邊沿處YBCO 薄膜中即會形成晶界,得到臺階結[25,26].這與STO,LAO 襯底上需要θ 不低于45°才能形成YBCO晶界[1]的情形很不相同.進一步地,Foley 等[26]和Yamaguchi 等[27]指出MgO 襯底上θ 為36°時,YBCO 薄膜中形成的晶界為[101]方向,且此時形成的晶界更加干凈.本文的θ = 34°與這一推薦值比較接近.另外,在德國尤利希研究中心Faley等[19]的工作中,制備的MgO 襯底臺階θ = 38°,也與本文值接近.在與本文相似的α 和β 刻蝕條件下,德國萊布尼茨研究所Kaczmarek 等[18]制備了θ = 45°的臺階,臺階角度高于本文的結果.這表明在襯底刻蝕時,其他刻蝕參數也會對臺階的角度和形貌產生一定的影響,值得進一步深入研究.

圖3 臺階的SEM 形貌圖 (a)臺階斷面圖; (b)臺階斜視圖; (c)刻蝕區域與臺階相對的另外一邊襯底的斷面圖;(d)刻蝕區域與臺階相對的另外一邊襯底的斜視圖Fig.3.SEM images of the step: (a) Cross section of the step; (b) oblique view of the step; (c) cross section of the substrate at the other side (opposite to the step) of the defined etching area; (d) oblique view of the substrate at the other side of the defined etching area.

3.3 YBCO 臺階結的輸運測量

在襯底上通過上述工藝制備出臺階,然后利用PLD 生長YBCO 超導薄膜,進而通過紫外光刻確定結區圖形,制備出YBCO 臺階結.圖4 顯示了一個結樣品的R-T 曲線,結微橋線寬10 μm、厚度110 nm、臺階高度210 nm.可以看到,隨著溫度降低,樣品電阻出現陡降,這與圖1(b)相似,體現出YBCO 微橋的超導轉變,轉變中點溫度TC=88.3 K.但與圖1(b)不同的是,在超導轉變接近完成時,結樣品電阻下降出現一個明顯的拖尾現象,如圖4 中的插圖所示,電阻在一個相對較寬的溫度區間內緩慢減小,至約85.5 K 時才變為零.這一差異,即出現的電阻拖尾現象,正是YBCO 臺階結輸運特性的體現[28,29].

利用Ambagaokar-Halperin (A-H)理論[30]可對此電阻拖尾現象作進一步分析.按電阻電容分路結模型,在電流I作用下約瑟夫森結兩端相位差φ的變化可等效為質量M=[?/(2e)]2C的粒子在傾斜的搓衣板勢場U=?EJ0[cos?+(I/IC)?] 中的運動,其中 ? 為約化普朗克常數,e為電子電荷,C為結電容,EJ0=?IC/(2e) 為約瑟夫森耦合能,勢場的傾斜度由I/IC的值決定.當熱漲落效應比較顯著時,較大的熱噪聲電流可在某些瞬間加劇勢場的傾斜,使得粒子在勢場U內滾動,即引起相位差φ的滑移,〈d?/dt〉′=0 ,從而使得結兩端出現電壓,此即熱激發的相位滑移(thermally activated phase slippage,TAPS).對電容C比較小的過阻尼約瑟夫森結,A-H 理論指出[30],由TAPS 所引起的電阻R可表示為R/Rn={I0(γ/2)}?2,其中I0(x)是虛宗量貝塞爾函數,γ=?IC/(ekBT) 是熱漲落參量.假定不存在熱漲落時結的IC∝(1?T/TC)n,則有

其中p為一常量,與結的臨界電流值大小相關.

圖4 YBCO 臺階結的R-T 曲線(插圖為拖尾區的放大,其中紅線代表A-H 理論擬合)Fig.4.R-T curve of the YBCO step-edge junction on MgO substrate.The inset shows a magnified view of the footstructure region with the red line being a fit to the A-H theory.

由(1)式對拖尾區的電阻進行擬合,其中TC=88.3 K,擬合曲線如圖4 插圖中的紅線所示,得到的擬合參數為Rn= 0.78 Ω,n= 1.92,p= 1.1 ×104.可以看到,擬合曲線和實驗數據符合得很好,同時,擬合得到的Rn與超導轉變開始出現拖尾時的電阻值(約0.8 Ω)一致,表明觀測到的電阻拖尾現象可由考慮TAPS 的A-H 理論得到比較好地描述.進一步地,擬合給出的n= 1.92 與理論上[31]超導體-正常金屬-超導體(S-N-S)型約瑟夫森結的IC隨溫度變化的冪指數n= 2 很接近,表明制備的臺階結可能屬于S-N-S 型結.

為進一步表征結的特性,測量了TC附近、溫度低于85.5 K 時結的V-I曲線,如圖5(a)所示.可以看出,與文獻報道[15,25]類似,結的V-I特性表現出電阻分路結(resistively shunted junction,RSJ)的行為[31].在一些溫度下,曲線在正負電流兩極關于原點不完全對稱.這一現象在YBCO 晶界結的V-I特性測量中時常被觀察到,一般認為其可能與晶界附近由地磁場等所引起的磁通束縛有關[25,32].另外可看到,在一些溫度下V-I曲線不是十分平滑,在小電壓時出現拐點狀的結構.類似的現象在MgO 襯底[25]、STO 或LAO 襯底[33,34]上YBCO 臺階結的V-I曲線中都曾被觀測到,被認為是由臺階上、下邊沿處形成的相串聯的兩個晶界弱連接的不對稱引起的,即兩個晶界弱連接的約瑟夫森臨界電流IC不太一致,串聯后這兩個晶界弱連接依次進入電壓態,從而使得V-I曲線上出現拐點狀的結構[33,34].這表明,在如圖3(a)所示的MgO 襯底臺階的上、下邊沿處形成的兩個YBCO晶界的特性有些差異,還需要進一步優化制備參數以提高其一致性,從而使V-I曲線更接近于單個約瑟夫森結的行為[18].根據圖5(a)中零電壓的電流范圍,確定出其中耦合相對稍小的晶界弱連接的IC及相應的約瑟夫森臨界電流密度JC,如圖5(b)所示,其中紅線表示由S-N-S 型結在TC附近的溫度關系JC=q(1?T/TC)2對實驗數據所作的擬合,擬合參數q= 9.3×106A/cm2.可看到,實驗數據和理論擬合曲線符合得比較好,與前述由A-H 理論分析電阻拖尾現象時所得到的IC隨溫度變化的規律一致.注意到Foley 等[26]曾在θ= 32°的MgO襯底YBCO 臺階結上觀測到TC附近JC隨溫度線性變化,即JC∝(1?T/TC) 的現象,認為與超導體-絕緣體-超導體(S-I-S)型約瑟夫森結的行為一致.這與本文的結果形成對照,表明可能由于結的其他制備參數的不同,本文中制備的臺階結其結區“勢壘”的高度或厚度要小得多.在77 K 時,圖5(b)顯示臺階結的JC為1.4×105A/cm2,與前述YBCO薄膜的臨界電流密度值相比低約一個數量級.而對相似θ(35°—45°)的MgO 襯底YBCO 臺階結,Foley 等報道JC約在1×103—4×104A/cm2[15],Kaczmarek 等報道JC約為2×104A/cm2[18],Faley等報道JC約為8×103A/cm2[24],均顯著低于本文得到的結果.這表明,相對而言本文制備的臺階結其約瑟夫森耦合程度的確要強很多,在后續的工作中需進一步改進制備工藝如適當增大θ 等來降低JC和結的耦合程度.

圖 5 (a) YBCO臺階結的V-I特性曲線; (b)臺階結的JC 隨溫度的變化,紅線代表S-N-S 型約瑟夫森結的理論擬合,內插圖為ICRn 隨溫度的變化,其中菱形所代表的數據取自文獻[17]Fig.5.(a) V-I curves of the YBCO step-edge junction on MgO substrate; (b) temperature dependence of JC,with the red line being a fit to the ( 1 ?T/TC)2 dependence according to the theory of S-N-S Josephson junction.The inset shows ICRn,with data points in diamond taken from the Ref.[17].

注意到,在θ 較小(θ = 19°)的MgO 襯底上,Mitsuzuka 等[25]制備的YBCO 臺階結在69 K 時JC為7×105A/cm2,與本文結果接近.進一步地,注意到對晶界角較低、約為8°—10°的STO 雙晶襯底YBCO 晶界結[8],文獻報道的JC也為類似水平,如Redwing 等[35]在10°晶界角STO 雙晶襯底上測量得到77 K 時JC約為4×105A/cm2,與本文值相似.這為理解本文制備的YBCO 臺階結的特性提供了一定的線索.對上述低晶界角雙晶襯底YBCO 晶界結,基于微觀結構考察和輸運性質測量,一般認為[8,35]其晶界區由超導區域和非超導區域交替排列組成,從模型上來說接近于一系列S-s′-S 微橋的并聯,其中s′代表晶界附近的超導通道,由于晶界處的無序或缺陷使得其具有較低的TC,這些s′超導通道由晶界上一系列的位錯或強無序區域(對應著非超導通道)隔開.隨著晶界角的增大,周期性的位錯或強無序區域將會合并,在晶界處形成畸變層,從而使得結可能更接近于S-NS 或S-I-S 型結的行為[8,36].因此,雖然STO 襯底上的YBCO 雙晶結和MgO 襯底上的YBCO 臺階結的晶界類型并不相同[8,14,15],從上述兩者相似的JC值出發,并考慮到臺階結的結微橋寬度,可推測本文制備的MgO 襯底YBCO 臺階結也有可能接近于上面S-s′-S 模型所描述的情況.不過另一方面,在上述S-s′-S 模型下,TC附近JC一般隨溫度線性變化[31,35],這與圖5(b)所示的JC符合S-NS 型結[31,36]的 ( 1 ?T/TC)2的變化規律還不相同.因此,綜合來看,為區分上述不同的模型、鑒別本文制備的YBCO 臺階結的屬性,還需要對結的微觀結構進行考察及與進一步的輸運測量進行對照和分析.

圖5(b)的插圖顯示了TC附近結的特性參量ICRn,其中Rn取為圖5(a)中電流遠高于IC時結的微分電阻.同時給出的還有Du 等[17]在MgO 襯底YBCO 臺階結上測量的結果,可看到,ICRn隨溫度升高近似線性減小,與文獻報道接近.在77 K,ICRn約為0.6 mV,與Foley 等報道的0.1—0.6 mV[15],Mitchell 等報道的0.1—0.4 mV[16],Du等報道的0.7 mV[17],Kaczmarek 等報道的0.4—0.7 mV[18],Faley 等報道的0.3 mV[19]等數值范圍接近,體現出MgO 襯底YBCO 臺階結可獲得較高的ICRn的特點.較高的ICRn對提高結的響應頻率或響應速度、提高DC SQUID 的電壓調制幅度及磁場靈敏度等都將帶來益處[6,17?19].另外需要指出的是,上述提到的S-s′-S 結或S-N-S 結模型都可以給出TC附近ICRn隨溫度線性變化的行為[35,37].因此,目前尚不能基于圖5(b)插圖所示的ICRn的實驗結果來對這兩種模型加以區分.如前所述,還需要更深入的測量和分析來幫助進行判斷.

3.4 YBCO RF SQUID 器件的表征

利用上述的臺階結制備技術,我們初步制備了包含MgO 襯底YBCO 臺階結的高溫超導RF SQUID 器件.器件構型與之前文獻報道的基于LAO 襯底YBCO 臺階結的RF SQUID 器件構型相似[11].SQUID 芯片所用的MgO 襯底大小為5 mm×5 mm,中心超導環孔尺寸為120 μm ×120 μm,YBCO 臺階結的線寬為3 μm.諧振器由10 mm×10 mm 大小的STO 襯底及其上生長的YBCO 超導薄膜構成[21].采用FLL 方式對器件進行了測試.

圖6 顯示了77 K 時RF SQUID 器件的測試結果.FLL 未閉合時測試結果如圖6(a)所示,其中黃線是磁場掃場信號(縱向刻度為1.0 V/格),藍線為器件的電壓-磁通曲線(縱向刻度為0.2 V/格),即通常所說的三角波圖形.可以看到,三角波的幅度(電壓峰峰值)約為0.6 V,與LAO 襯底上的器件(0.9 V)接近[11],磁通-電壓轉換系數為170 mV/Φ0.將FLL 閉合,即置于鎖定狀態,測量器件的磁通噪聲譜,如圖6(b)所示.在頻率高于500 Hz 時,譜線變化平緩,顯示磁通噪聲為220—250 μΦ0/Hz1/2,結合器件的磁通-磁場轉換系數,得到此頻率段對應的磁場噪聲為700—800 fT/Hz1/2.

圖6 YBCO RF SQUID 器件的表征 (a)電壓-磁通曲線;(b)噪聲譜(頻率1 kHz 時磁通噪聲250 μ Φ0/Hz1/2 ,對應的磁場噪聲800 fT/Hz1/2,如藍色虛線所示)Fig.6.Characterization of the YBCO RF SQUID: (a) Voltage-flux curve; (b) noise spectra,with blue dashed line denoting 800 fT/Hz1/2 at 1 kHz.

文獻中Du[38]也曾利用MgO 襯底YBCO 臺階結制備RF SQUID 器件,對不同器件測得白噪聲段磁場噪聲為300—1100 fT/Hz1/2.本文上述磁場噪聲數值處在此范圍內.在Du[38]的工作中,發現器件的性能與臺階結的IC關系比較密切,通過改變YBCO 薄膜的厚度或對器件進行離子束轟擊等后處理以調節或降低IC,可改善器件的性能,得到磁場噪聲在300—500 fT/Hz1/2性能相對較好的器件.這為后續進一步優化MgO 襯底YBCO 臺階結的制備工藝及參數選擇,以降低結的JC或調節結的IC,從而進一步提高相應的RF SQUID 器件的噪聲性能提供了借鑒.

4 結 論

本文對MgO 襯底YBCO 臺階結的制備、輸運特性、以及其在RF SQUID 器件上的應用進行了研究.在MgO(100)襯底上,利用PLD 方法生長出超導性能良好的YBCO 薄膜,利用兩步離子束刻蝕技術制備出臺階角度θ = 34°的臺階,進而成功制備出MgO 襯底YBCO 臺階結.R-T 和V-I特性曲線測試表明制備出的臺階結可能為S-s′-S或S-N-S 型結,77 K 時結的JC為1.4×105A/cm2.利用MgO 襯底YBCO 臺階結制備了RF SQUID器件,77 K 時測得器件在頻率1 kHz 處的磁通噪聲為250 μ Φ0/Hz1/2,與國際上同類器件文獻報道水平接近.在后續的工作中,計劃通過調控臺階結的JC和IC等來優化臺階結制備的參數選擇,以進一步提高RF SQUID 器件的性能.另一方面,擬利用開發的臺階結制備技術開展DC SQUID 器件的制備,測試器件的性能,以核實和展現MgO 襯底YBCO 臺階結在低噪聲、高性能DC SQUID 等超導器件上的應用潛力和價值.