《表1 不同溅射参数下的薄膜超导转变温度》

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《不同溅射条件对超薄外延氮化铌薄膜超导性能的影响》

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为了研究不同溅射参数对NbN薄膜超导性能的影响，本文主要用控制变量法逐一研究，并利用PPMS对薄膜性能进行超导性能分析.利用点焊机在薄膜表面焊接4个等间距的电极作为PPMS测试电极，测试结果如图3所示.图3（a）显示了氮氩比对薄膜超导性能的影响，从图中可以看出，氮氩比为40 sccm:200 sccm时，薄膜的超导性能最高，其超导转变温度约9.3 K；而氮氩比分别为20 sccm:200 sccm和70 sccm:200 sccm时，薄膜超导转变温度分别为5.1和6.3 K.当氮氩比较低时，通入氮气的量太少，此时，溅射主要是金属模式.氮氩比太大时，使得通入氮气的量太大，反而会导致最后溅射的薄膜中Nb+与N-比例不是1:1[20].不同的氮氩比会直接影响所制备薄膜的晶格结构，不同晶格结构的NbN薄膜性能也存在很大差异.因此，适宜的氮氩比是溅射高质量超导薄膜的前提.功率对薄膜超导性能的趋势图如图3（b）所示，从图中可以看出，当功率约为150 W时，薄膜的超导性能较好，其超导转变温度约9.6 K.究其原因可知，功率越大，所轰击的靶材原子能量越大，由于逸出的原子能量过高，对衬底上已经沉积的薄膜产生一定的轰击，从而产生更多的缺陷.但若功率过小，原子所具备的能量过小导致其在衬底上的迁移速率过低，易使薄膜生长得不平整进而影响其性能.同时，过小的功率会使靶材原子沉积速率低，在溅射过程中容易受到舱体其他杂质的影响，进而会影响薄膜沉积质量[21].温度对薄膜超导性能的影响如图3（c）所示，随着温度的逐渐增大，薄膜的超导性能逐渐提升，当温度为550°C时，薄膜的超导转变温度Tc约10.2 K（而550°C是仪器所能承受的最高温度）.当衬底温度较高时，原子扩散和迁移速率较快，最终形成的薄膜较为平整.而当衬底温度过低时，薄膜的临界核尺寸小，在沉积的过程中会有新核不断产生.同时，原子在衬底表面的迁移速率低，内部晶粒生长受抑制，使晶粒内部缺陷密度增大，影响薄膜质量，进而影响薄膜的电学性能[21，22]；温度为室温时，薄膜临界温度为7.5 K.图3（d）为真空度对薄膜超导性能影响，真空度为4.5×10-5Pa时，薄膜超导转变温度为11.8 K（4.5×10-5Pa是仪器的极限真空度）.随着真空度的逐渐降低，生长的薄膜性能会逐渐降低；真空度为8.5×10-5Pa时，薄膜超导转变温度为9.4 K.在高真空下，舱内的杂质分子（如水分子，氧分子）会越来越少，进而在成膜过程中带入的杂质会越来越少，从而会提高薄膜的生长质量，进而提高薄膜的超导性能[23].图3（e）为工作气压对薄膜性能的趋势图，通过数据分析表明，工作气压为0.18 Pa时，薄膜电学性能最佳，其超导转变温度为12.1 K，0.18 Pa是仪器能起辉的最低气压值.溅射气压过大时，原子的平均自由程小，原子间发生碰撞的概率大，使得沉积速率降低，致使原子达到基片表面时，能量损失过多，在基片上的迁移能力变小，从而影响薄膜性能.在低压下，原子的平均自由程大，原子间发生碰撞的概率大大减小，到达基片表面时的迁移能力大，在一定程度上有利于薄膜成型[24].气体流速对薄膜性能的影响如图3（f）所示，当氩氮比保持为5:1，气体流量为30 sccm:6 sccm时，薄膜性能最佳，其转变温度为12.5 K（而30 sccm:6 sccm的气体流量是能起辉的最低流速比）.这是因为气体流速越大，单位时间内能够电离出的Ar+较多，致使逸出的靶材原子也越多，使得碰撞概率增大，则沉积速率降低，进而会影响薄膜质量[25].具体的实验参数如表1所示.通过以上分析可知，当真空度为4.5×10-5Pa，温度为550°C，功率为150 W，工作气压为0.18 Pa，氩氮比保持5:1，流速为30 sccm:6sccm时，所制备的NbN薄膜性能最佳，其临界温度Tc约12.5 K.