高温超导薄膜材料临界电流密度测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高温超导薄膜材料性能测试领域，具体涉及一种高温超导薄膜材料临界电流密度的测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002]自1986年发现液氮温区超导材料后，高温超导材料(High TemperatureSuperconductor，简称HTS)及其应用得到了迅猛发展。HTS的应用可以分为强电领域的应用和弱电领域的应用。在弱电领域的应用包括利用HTS的微波表面电阻低这一特性，可用于研制高性能微波无源器件，如微波传输线、滤波器、谐振器、延迟线等，有些已非常接近实用化水平，并已经开始在卫星通讯、移动通讯地面基站、高灵敏度雷达接收机前端系统中得到了应用。而对于高温超导材料质量的评判中，临界电流密度是最重要的一个指标。
[0003]超导薄膜的临界电流密度是指流过超导体单位横截面上的临界电流。目前并未看到可测量大面积样品的设备，且通常测试端每次只能测试一处微桥，测试后需将样品从液氮中取出，更换到下一处要测试的微桥，再放入液氮中测试，效率较低。
[0004]而针对大面积超导薄膜临界电流密度的测量，目前普遍采用交流磁化率方法。例如德国THEVA公司生产的CRYOscan。该方法由于利用线圈产生交流磁场感应和磁感应探测，不需要电极接触，不会破坏高温超导薄膜。交流磁化率法必须利用四点法测试结果进行修正。即便如此，在出现微裂缝的情况下，该方法获得的临界电流密度是完全不可靠的。因此无法完全取代四点法。然而，目前普遍销售的四点法测试系统都无法用于较大面积的超导薄膜样品上多点临界电流密度快速检测。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是利用四点法原理，提供一种用于高温超导薄膜材料上多点临界电流密度的测试系统及测试方法。利用超导薄膜材料上电压随电流变化曲线，也称作U-1曲线，从而由曲线找到超导薄膜突然失去超导特性的临界点，即超导体的临界电流Ic，用这个临界电流Ic除以横截面积就得到了临界电流密度。这种方法是获得临界密度最直接和准确的方法。
[0006]本发明所述的一种高温超导薄膜材料临界电流密度的测试系统，如图3所示，由计算机、纳伏表、可编程直流电流源和探针台组成；探针台由固定板1、外壳2、测试板3和探针板4组成。
[0007]固定板I为方形，其结构如图7所示，在其四角处设置有固定板螺孔8，其四个边均为“凸”字型结构；探针板4的俯视图如图5，其为具有贯穿孔的方形塑料板，在其四角上设置有探针板螺孔11 ;探针为一柱状金属，头部为圆头，尾部可焊接导线，其头部穿过探针板后露出，并用胶固定在探针板4上。外壳2的结构如图4，可以看做是一个没有顶面的方型箱体，箱体的四个侧面上均设置有缺口，箱体的内部尺寸与固定板I的外部尺寸相匹配，缺口的宽度、厚度与固定板“凸”字型结构的尺寸相匹配，从而可以使固定板I从上向下无缝隙地放置在外壳2内，且固定板I及外壳2的侧表面在同一平面上；在外壳2的底部设置有正方形缺口，该缺口的尺寸略小于固定板I和探针板4的尺寸；当探针板4由下至上用胶安装在外壳2上时，可以使探针板4上的探针头部6露出，高度应恰好达到外壳2侧面缺口的下沿处，从而使安放后的固定板I与探针头6之间无缝隙。由于探针内部具有弹簧结构，探针头部6可伸缩，从而将样品固定在固定板I和探针头部6之间。在外壳2底部的四角上设置有螺孔5，其与固定板I上设置的固定板螺孔8、探针板4上设置的探针板螺孔11的位置相对应，可通过螺丝将固定板I与外壳2和探针板4固定在一起。
[0008]待测样品为在衬底上制作的超导薄膜，薄膜上具有微桥结构10，微桥由左测试端、右测试端以及两端间的长方形通道组成。探针板4和外壳2组装后的俯视图如图6所示。在测试系统使用时，将样品的超导薄膜的一面放置于探针头部6上，样品的衬底面由固定板I从上至下固定在外壳2上，即将固定板I对准外壳2由上而下放置后，通过固定板I上的螺孔8以及外壳2的螺孔5安装螺丝，起到固定固定板I的作用，同时将样品的超导薄膜与探针头部6紧紧压在一起。
[0009]测试板3为方形，其俯视图如图8所示。在其上设置有圆孔座排母7。圆孔座排母7贯穿于测试板3，其一端为圆孔状，可插接可编程直流电流源的输出端和纳伏表的测试端，其另一端为金属凸起，可焊接导线，该导线连接探针的尾部9，使得测试板3上的圆孔座排母7与探针板4上的探针头部6有着一一对应的关系，从而完成固定板1、外壳2、测试板3以及探针板4的组装，形成完整的探针台。
[0010]每四个探针为一组，一组中四个探针头部6的位置与一个微桥结构(10)的位置相对应；可编程直流电流源通过一组探针中的两个在微桥结构(10)的左、右测试端间施加可编程的电流信号，纳伏表通过同一组探针中的另外两个测量同一微桥左、右测试端间的电压信号，由计算机控制可编程直流电源提供电流信号，且实时记录纳伏表的测量值和可编程直流电源的输出值，从而自动完成数据的记录以及绘图。如图6所示，探针台上有88根探针，可测量22处微桥而无需将探针台及超导薄膜从液氮环境中取出，以第一排从左至右四个探针为例，左一和左四连接电流源，在其上施加可编程的电流源信号，左二和左三连接纳伏表，用于测量微桥左右测试端间的电压信号，左一左二对应超导薄膜微桥结构10的左测试端，左三左四对应超导薄膜微桥结构10的右测试端，从而实现四点法测量。
[0011]固定板I由有机玻璃制成，外壳2选用铝质材料，测试板3为方形印刷电路板(PCB线路板)，探针板4由塑料板制成，探针选用凯达电子的P50-J1型探针，纳伏表采用的是Keithiley2182A纳伏表，可编程直流电源使用的是DP831A可编程线性直流电源。
[0012]高温超导薄膜材料临界电流密度的测试方法，具体步骤如下:
[0013](I)对在衬底上制备的超导薄膜进行光刻，光刻后在超导薄膜上形成如图9所示的微桥结构10，多个微桥结构间由裸露的绝缘衬底分隔开，从而在测量各个微桥时，各微桥之间不会导通，不会相互影响。微桥结构的宽度仅取决于光刻板上微桥图案的大小，因此由光刻板便可知所刻微桥结构的宽度d(即微桥图形中的最窄处)；
[0014](2)利用台阶仪测量超导薄膜的厚度h，台阶仪探针经过裸露的衬底以及比衬底高的微桥结构，会在电脑中显示出两者间的高度差，从而得到超导薄膜的厚度h;
[0015](3)在光刻后的微桥上制作电极，电极覆盖在微桥左右两测试端，而微桥最窄处无金属电极(如可通过蒸发金属或者溅射金属的方法制作电极)；
[0016](4)将待测的超导薄膜放入探针台，微桥结构的两端电极与探针头部6对齐，左一、左二探针头部6与微桥结构10的左端电极接触，左三、左四探针头部6与同一微桥结构10的右端电极接触。利用固定板I将待测的超导薄膜由上而下压在固定板I与探针头部6之间，从而使微桥上的电极与探针头部6具有良好的接触；
[0017](5)将探针台浸入液氮环境中，而测试板3及导线置于液氮环境之外；
[0018](6)将可编程电流源、纳伏表与测试板3相连，测试板3上的测试点对应于探针板4上固定的要测量的微桥，随后开始测量；
[0019](7)通过测试过程中计算机保存的电压值和电流值，利用origin软件作图，在所做U-1曲线上找到失超电流Ic，临界电流密度Jc = Ic/(d*h)，其中d为微桥