高温超导薄膜 (highcriticaltemperaturesu—perconductingthinfilm)

厚度小于1μm的高温超导材料。由于薄膜在制作电子器件中的重要性，在发现高温超导体之后，人们即开展高温超导薄膜的制备与性能研究。具有较大实用价值的高温超导薄膜有钇(Y)系薄膜、铋(Bi)系薄膜和铊(Tl)系薄膜。

钇系薄膜     所有钇系高温超导薄膜制备方法和超导性质都非常相近。以YBa₂Cu₃O_7-ξ，(简写为YBCO)为例，电子束共蒸发、磁控溅射、脉冲激光淀积，以及金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等方法都可成功地用于制备YBCO薄膜。基片可采用SrTiO₃、LaAlO₃、MgO、Zr(Y)O₂单晶片，也可采用带有隔离层的复合基片，如SrTiO₃／Al₂O₃、Zr(Y)O₂／Al₂O₃ 、Zr(Y)O₂／Si(隔离层／单晶片)等。在一定条件下，在这些基片上可生长出高质量的c取向YBCO外延薄膜，零电阻临界温度T_c⁰可达到90K以上(最高为93K)，临界电流密度J_c(77K，0T)达到10⁶A／cm²以上(最高为7×10⁶A／cm²)。YBCO外延薄膜表面平整，取向度好，结构完整，质量已与单晶体相近。

YBCO外延薄膜在77K温度的微波表面电阻R_s(77K，10GHz)已达100μΩ，比同样条件下的铜的电阻小2个数量级。用高质量的YBCO薄膜已制备出性能优异的微波无源器件，如谐振器、滤波器、延迟线等。将这些器件用在卫星通信系统上，可大大提高通信系统的性能。

YBCO薄膜量子干涉器(SQUID)在77K温度的性能已超过商品的低温SQUID。低温SQUID需要在液氦温度(4.2K)下工作。将器件工作温度由4.2K提高到77K，将大大简化制冷系统，减轻重量，降低成本，从而扩大器件应用范围。

铋系薄膜     BiSrCaCuO超导体系包括3个超导相。按BiSrCaCu的顺序，其组分为2201、2212与2223，T_c分别为20K、80K和110K。2223相存在温区很窄，很难制备出纯的2223相。这给高T_c的BiSrCaCuO薄膜的制备带来了困难。用铅(Pb)取代一部分Bi，可提高样品中2223相的比例，改善晶粒间连接状况，显著提高超导性能。在700℃的MgO单晶基片上，用射频磁控溅射法淀积BiSrCaCuO薄膜，经过900℃、60min的后续热处理，薄膜的T_c⁰达到95K，J_c(77K，0T)达到1.9×10⁶A／cm²。在300℃的MgO单晶片上淀积含Pb的BiSrCaCuO膜，并将它与Bi_1.7Pb_0.3Sr₂Ca₂Cu₃O_x块材一起放在坩埚中，于840℃、15h退火，从而可得到110K的含Pb的BiSrCaCuO薄膜，但J_c(77K，0T)只有300A／cm²。BiSrCaCuO薄膜在空气中的稳定性较好。已用Bi系薄膜制出SQUID。制备110K的BiSrCaCuO外延薄膜仍是研究的课题。

铊系薄膜      TlBaCaCuO是临界温度最高的超导体(T_c为125K)，实用价值更大。制备Tl系超导体的原料Tl₂O₃是剧毒物质，使用时必须有妥善的防护措施。Tl的蒸气压高，易挥发，这给TlBaCaCuO薄膜的制备带来一定困难，而且很难实现外延生长，只能采用后热处理法制备。为了补充Tl的损失，需要将薄膜与TlBaCaCuO粉末或块材放在密闭坩埚中一起热处理。Tl系2223相比较容易形成，这是Tl系薄膜优于Bi系薄膜的地方。

直流溅射后热处理法制备的2223相TlBaCaCuO薄膜的T_c⁰为116K，J_c(77K)为10⁵A／cm²。脉冲激光后热处理法制备的Tl₂Ba₂Cacu₂O_x薄膜的T_c虽然只有98.3K，但J_c(77K)却高达l×10⁶A／cm²，微波表面电阻R_s(77K，9.55GHz)=0.2mΩ，只是铜(Cu)的1／45。在场强高达12G的强微波场中，它的R_s(90K，9.55GHz)也只有0.6mΩ，这对于制作高功率的微波器件是重要的。TlBaCaCuO薄膜微波器件在80K温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系薄膜表面质量提高后，Tl系薄膜及器件的性能还会有大幅度提高。