高溫超導薄膜

厚度小於1μm的高溫超導材料。由於薄膜在製作電子器件中的重要性，在發現高溫超導體之後，人們即開展高溫超導薄膜的製備與性能研究。具有較大實用價值的高溫超導薄膜有釔(Y)系薄膜、鉍(Bi)系薄膜和鉈(Tl)系薄膜。

釔系薄膜所有釔系高溫超導薄膜製備方法和超導性質都非常相近。以YBa2Cu3O7-ξ，(簡寫為YBCO)為例，電子束共蒸發、磁控濺射、脈衝激光澱積，以及金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)等方法都可成功地用於製備YBCO薄膜。基片可採用SrTiO3、LaAlO3、MgO、Zr(Y)O2單晶片，也可採用帶有隔離層的複合基片，如SrTiO3／Al2O3、Zr(Y)O2／Al2O3、Zr(Y)O2／Si(隔離層／單晶片)等。在一定條件下，在這些基片上可生長出高質量的c取向YBCO外延薄膜，零電阻臨界溫度Tc0可達到90K以上(最高為93K)，臨界電流密度Jc(77K，0T)達到106A／cm2以上(最高為7×106A／cm2)。YBCO外延薄膜表面平整，取向度好，結構完整，質量已與單晶體相近。

YBCO外延薄膜在77K溫度的微波表面電阻Rs(77K，10GHz)已達100μΩ，比同樣條件下的銅的電阻小2個數量級。用高質量的YBCO薄膜已製備出性能優異的微波無源器件，如諧振器、濾波器、延遲線等。將這些器件用在衛星通信系統上，可大大提高通信系統的性能。

YBCO薄膜量子干涉器(SQUID)在77K溫度的性能已超過商品的低溫SQUID。低溫SQUID需要在液氦溫度(4.2K)下工作。將器件工作溫度由4.2K提高到77K，將大大簡化製冷系統，減輕重量，降低成本，從而擴大器件應用範圍。

鉍系薄膜BiSrCaCuO超導體系包括3個超導相。按BiSrCaCu的順序，其組分為2201、2212與2223，Tc分別為20K、80K和110K。2223相存在溫區很窄，很難製備出純的2223相。這給高Tc的BiSrCaCuO薄膜的製備帶來了困難。用鉛(Pb)取代一部分Bi，可提高樣品中2223相的比例，改善晶粒間連接狀況，顯著提高超導性能。在700℃的MgO單晶基片上，用射頻磁控濺射法澱積BiSrCaCuO薄膜，經過900℃、60min的後續熱處理，薄膜的Tc0達到95k，Jc(77K，0T)達到1.9×106A／cm2。在300℃的MgO單晶片上澱積含Pb的BiSrCaCuO膜，並將它與Bi1.7Pb0.3Sr2Ca2Cu3Ox塊材一起放在坩堝中，於840℃、15h退火，從而可得到110K的含Pb的BiSrCaCuO薄膜，但Jc(77K，0T)只有300A／cm2。BiSrCaCuO薄膜在空氣中的穩定性較好。已用Bi系薄膜制出SQUID。製備110K的BiSrCaCuO外延薄膜仍是研究的課題。

鉈系薄膜TlBaCaCuO是臨界溫度最高的超導體(Tc為125K)，實用價值更大。製備Tl系超導體的原料Tl2O3是劇毒物質，使用時必須有妥善的防護措施。Tl的蒸氣壓高，易揮發，這給TlBaCaCuO薄膜的製備帶來一定困難，而且很難實現外延生長，只能採用后熱處理法製備。為了補充Tl的損失，需要將薄膜與TlBaCaCuO粉末或塊材放在密閉坩堝中一起熱處理。Tl系2223相比較容易形成，這是Tl系薄膜優於Bi系薄膜的地方。

直流濺射后熱處理法製備的2223相TlBaCaCuO薄膜的Tc0為116K，Jc(77K)為105A／cm2。脈衝激光后熱處理法製備的Tl2Ba2Cacu2Ox薄膜的Tc雖然只有98.3K，但Jc(77K)卻高達l×106A／cm2，微波表面電阻Rs(77K，9.55GHz)=0.2mΩ，只是銅(Cu)的1／45。在場強高達12G的強微波場中，它的Rs(90K，9.55GHz)也只有0.6mΩ，這對於製作高功率的微波器件是重要的。TlBaCaCuO薄膜微波器件在80K溫度下仍然具有良好的性能。TlBaCaCuO薄膜天然晶界SQUID在77K的性能已和4.2K商品SQUID性能相近。Tl系薄膜表面質量提高后，Tl系薄膜及器件的性能還會有大幅度提高。