基于硼化镁超导薄膜的约瑟夫森结及其应用研究

约瑟夫森结是超导电子系统的基本单元结构。制备性能优良的约瑟夫森结，是实现超导集成电路、超导量子干涉仪、超导数模转换器等应用的基础。基于金属铌的超导集成电路和超导器件在军事、科学等领域的应用中显示出不可替代的优异性能。但是，基于金属铌的超导器件只能工作在4.2K的液氦温度下，使其应用领域受到严重限制。基于硼化镁超导薄膜的约瑟夫森结，其性能稳定可靠，可工作在20- - 30K温区，制冷设备的体积和成本大为降低，有着更为广阔的应用前景。本项目的主要目标，是在国内外同行研究工作的基础上，利用我们自己发明的化学气相沉积两步法和双加热器物理化学气相沉积一步法专利技术，探索出一种设备要求较低、工艺简单、成本低廉、可靠性高、可重复性好的基于硼化镁超导薄膜的约瑟夫森结制备工艺，开展约瑟夫森结的应用研究，形成具有自主知识产权的系列化专利技术，在硼化镁超导结型器件物理、工艺和应用基础研究方面做出贡献。

本研究项目的结果包括四方面内容：.（1）搭建出一套化学气相沉积（CVD）简易系统，仅用机械泵抽真空，然后在常压下制备MgB2薄膜，极大的节约了制备成本。制备出的MgB2超导转变温度Tc (onset) 为39.5K，超导转变宽度ΔTc 为1.3K，证明制备的薄膜具有均衡的超导性能。.（2）利用磁控溅射制备MgB2薄膜，主要研究了不同的溅射功率、溅射气压对薄膜的影响。并在此基础上分别利用传统退火方式、快速热处理退火对薄膜进行处理，发现传统退火方式得到的Tc较高，快速热处理得到的薄膜表面较为平整。.（3）为了提高MgB2薄膜的临界电流Jc，我们引入芘（C16H10）作为掺杂源，成功制备了有机物掺杂MgB2薄膜，获得了36.5K的超导转变温度，高于相同条件下制备的MgB2纯净薄膜，并讨论了不同掺杂量对MgB2薄膜性能的影响。.（4）系统研究了MgB2/B和B/MgB2异质结的制备及高温稳定性，采用HPCVD工艺和用B膜作为势垒介质层制备了MgB2/B/MgB2约瑟夫森结器件。分别制备出势垒层厚度为10nm、20nm、50nm和80nm的S-I-S纵向多层膜结构。实验结果表明势垒厚度10nm-50nm之间试样显示出良好的约瑟夫森效应。约瑟夫森效应实验结果表明，当势垒层厚度为10nm时，在29K下仍然具有明显的约瑟夫森效应，表明MgB2/B/MgB2约瑟夫森结能有效工作在20K以上，显示出相对于铌系超导约瑟夫森结的明显优势。.在4.2K-34.2K范围内所测的I-V特性曲线显示出临界电流Ic随着势垒层厚度的增加呈减小趋势；势垒层厚度确定时结的临界电流密度Ic与温度相关，随着温度的升高而减小，这与Ambegaokar-Baratoff的理论相符合。通过对所测约瑟夫森结I-V特性曲线的微分处理测量出MgB2超导材料超导能隙Δπ为2.2meV。