Co球Nb膜异质结构超导材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种Co球Nb膜异质结构超导材料，包括衬底、Nb膜、Co空心球阵列膜，Nb膜位于衬底之上，Co空心球阵列膜覆盖于Nb膜之上；所述Co空心球阵列膜由多个Co空心球单层紧密排列为六角蜂巢形阵列。本发明将磁性Co材料和Nb超导薄膜材料构筑为异质结构纳米结构材料，通过外加磁场或电场能够调控超导的转变温度和临界电流密度，从而实现通过磁畴形态来调控Nb薄膜的超导性能。本发明还公开了一种Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法。
【专利说明】Co球Nb膜异质结构超导材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米异质结构材料,具体涉及一种Co球Nb膜异质结构超导材料。本发明还涉及一种Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]超导和磁性是凝聚态物理非常重要的两种合作现象。在铁磁体中，由于铁磁体的内磁场对超导电性的抑制作用，铁磁与超导一般被认为是不相容的。在块体材料中，铁磁与超导很难共存；然而利用人工制备的铁磁/超导复合体系，却很容易实现铁磁与超导的共存。超导由于其特有的零电阻载流和超导凝聚的量子相干效应，自从发现以来便向人们展示出其广阔的应用前景。
[0003]但是，现有的超导材料在实用化道路上仍有许多障碍存在，尤其是在超导电性的有效调控方面。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种Co球Nb膜异质结构超导材料，它可以通过外磁场或电流对其超导特性进行调控。
[0005]为解决上述技术问题，本发明Co球Nb膜异质结构超导材料的技术解决方案为: 包括衬底、Nb膜、Co空心球阵列膜，Nb膜位于衬底之上，Co空心球阵列膜覆盖于Nb膜
之上；所述Co空心球阵列膜由多个Co空心球单层紧密排列为六角蜂巢形阵列。
[0006]所述衬底为高阻硅衬底；所述Nb膜的厚度为70?200nm ;所述Co空心球的直径为500?2000nm，壁厚为20?100 nm。
[0007]所述Co空心球设有开孔，相邻Co空心球的孔间相互连通。
[0008]本发明还提供一种Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法，其技术解决方案为，包括以下步骤:
第一步、对衬底进行清洗；
所述清洗方法为:
工序一、将衬底置于丙酮中超声清洗40分钟，然后用去离子水清洗多次；
工序二、将衬底置于无水乙醇中超声清洗40分钟，然后用去离子水清洗多次；
工序三、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30分钟后，置于无水乙醇中待用；待用的时间不大于I个月。
[0009]第二步、合成Nb膜；
将衬底放入真空磁控溅射镀膜机中；将Nb靶放置于磁控溅射靶位，抽真空，进行溅射镀膜，合成Nb膜；
所述溅射镀膜的溅射功率为70瓦，预溅射时间为5000?9000秒,溅射沉积时间为1500 ?5000 秒；
所述Nb靶纯度为99.999% ； 第三步、在镀有Nb膜的衬底上合成胶体晶体模板；
采用气-液界面合成法，使胶体球附于衬底表面，形成胶体晶体模板；
所述合成胶体晶体模板的具体方法为:
首先，将胶体球溶液与无水乙醇和去离子水混合，形成混合溶液，再将混合溶液注入到注射器中；
所述胶体球溶液与无水乙醇和去离子水的体积比为:
对于直径为2微米的胶体球，胶体球溶液:无水乙醇为1:1 ；
对于直径为I微米的胶体球，胶体球溶液:去离子水:无水乙醇为1:1:2 ;
对于直径为500nm的胶体球，胶体球溶液:去离子水:无水乙醇为1:3:4。
[0010]所述胶体球溶液是质量比10%的聚苯乙烯胶体晶体溶液；
然后，取一带有Nb膜的衬底，衬底上除一角落外，全部铺上一层去离子水；
随后，将注射器在衬底上没有去离子水的一端开始逐步推进，当混合溶液与去离子水的边缘相接触时，混合溶液在衬底边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜；
所述胶体球是直径为500?2000纳米的聚苯乙烯胶体球。
[0011]最后，将多余的去离子水吸走，从而在衬底上形成规则的胶体晶体模板。
[0012]第四步、合成Co空心球阵列膜；
步骤一、磁控溅射Co膜；
将第三步合成的带有胶体晶体模板的衬底置于真空磁控溅射镀膜机中，将Co靶材放置于磁控溅射靶位；抽真空，进行溅射镀膜；
所述溅射镀膜的溅射功率为50瓦,预溅射时间100秒,溅射时间1000?3000秒； 所述Co靶材的纯度为99.999% ；
步骤二、去除胶体晶体模板；
将步骤一所合成的样品浸入到二氯甲烷中，使胶体球溶于二氯甲烷，除去胶体球后，得到Co球Nb膜异质结构超导材料。
[0013]本发明可以达到的技术效果是:
本发明将磁性Co材料和Nb超导薄膜材料构筑为异质结构纳米结构材料,通过外加磁场或电场能够调控超导的转变温度和临界电流密度，从而实现通过磁畴形态来调控Nb薄膜的超导性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明:
图1是采用本发明的制备方法所合成的Nb膜，利用场发射扫描电镜得到的SEM图片，其中颗粒的尺寸为20纳米左右；
图2是采用本发明的制备方法在Nb膜上合成的Co空心球纳米结构阵列的扫描电镜图片，空心球直径为I微米；
图3为本发明Co球Nb膜异质结构超导材料的电阻随温度的变化曲线；
图4为本发明Co球Nb膜异质结构超导材料在7.8k,无外磁场下的电阻随电流的变化曲线； 图5为本发明Co球Nb膜异质结构超导材料在7.8k，外磁场为4000e下的电阻随电流的变化曲线；
图6为本发明Co球Nb膜异质结构超导材料在7.8k,外磁场为8000e下的电阻随电流的变化曲线。
【具体实施方式】
[0015]本发明Co球Nb膜异质结构超导材料，包括高阻硅衬底、Nb (铌)超导膜、Co (钴)空心球阵列膜，Nb膜位于衬底之上，Co空心球阵列膜覆盖于Nb膜之上；Co空心球阵列膜由多个Co空心球单层紧密排列为规则六方阵列(即六角蜂巢形阵列)；
Nb膜的厚度为70?200nm ；
Co空心球的直径为500?2000nm，壁厚为20?IOOnm ；
Co空心球的孔间相互连通。
[0016]本发明Co球Nb膜异质结构超导材料具有以下性能:
1、其超导转变温度为=Nb薄膜(不含Co空心球)的超导转变温度为8.3K，Co球/Nb膜异质结构的超导转变温度为8.0K，如图3所示。
[0017]2、Co球Nb膜异质结构在7.8K下，超导电流随外电场的增加，当外电流达到1700A时，样品从超导态向正常态过渡时，电阻在超导态和正常态之间发生跳跃，当电流进一步增加到2600A以上时，电阻逐渐从超导态转变为正常态，如图4所示。
[0018]3、在外磁场的作用下，随着外磁场的增加，电流跳跃的区域范围，逐渐变窄；如在4000e外磁场下，发生跳跃区域的最小电流为1700A，而最大电流为2400A，如图5所示；在8000e外磁场下，跳跃区域最小电流为1700A，最大电流为2100A，如图6所示。
[0019]本发明Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法，包括以下步骤:
第一步、对衬底进行清洗；
工序一、将衬底置于丙酮中超声清洗40分钟，然后用去离子水清洗多次；
工序二、将衬底置于无水乙醇中超声清洗40分钟，然后用去离子水清洗多次；
工序三、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30分钟后置于无水乙醇中待用；待用的时间不大于I个月；
第二步、合成Nb膜；
将清洗干净的衬底放入高真空磁控溅射镀膜机中；将他靶放置于磁控溅射靶位，抽真空使真空度达到10_8托；然后充入背底气体氩气，背底气压为8豪托，进行溅射镀膜，合成Nb膜，如图1所示；
溅射镀膜的溅射功率为70瓦，预溅射时间为5000?9000秒，溅射沉积时间为1500?5000 秒；
Nb靶纯度为99.999% ；
第三步、在镀有Nb膜的衬底上合成胶体晶体模板；
采用气-液界面合成法，使胶体球附于衬底表面，形成胶体晶体模板；
具体方法为:
首先，将胶体球溶液按照一定的体积比与无水乙醇和去离子水混合，再将混合后的溶液注入到注射器中； 根据胶体球的不同尺寸，选择胶体球溶液与无水乙醇和去离子水的体积比:
直径为2微米胶体球，胶体球溶液:无水乙醇为1:1;
直径为I微米胶体球，胶体球溶液:去离子水:无水乙醇为1:1:2 ;
直径为500nm胶体球，胶体球溶液:去离子水:无水乙醇为1:3:4 ;
然后，取一干净的带有Nb膜的衬底，衬底上除一角落外，全部铺上一层去离子水；
随后，将注射器在衬底上没有水的一端开始缓慢推进，当混合溶液与去离子水的边缘相接触时，混合溶液在衬底边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，使胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜；
最后，用滤纸将多余的去离子水吸走，就会在衬底上形成规则的胶体晶体模板。
[0020]胶体球溶液可以是质量比10%的聚苯乙烯胶体晶体溶液；
胶体球是直径为500?2000纳米的聚苯乙烯胶体球。
[0021]第四步、合成Co空心球阵列膜；
步骤一、磁控溅射Co膜；
将第三步合成的带有胶体晶体模板的衬底置于高真空磁控溅射镀膜机中，将Co靶材放置于磁控溅射靶位；抽真空使真空度达到10_8托；然后充入背底气体氩气，背底气压为8豪托，进行溅射镀膜，如图2所示；
溅射镀膜的溅射功率为50瓦,预溅射时间100秒,溅射时间1000?3000秒；
Co靶材的纯度为99.999% ；
步骤二、去除胶体晶体模板；
将步骤一所合成的样品浸入到二氯甲烷中，在室温条件，使胶体球溶于二氯甲烷至少I分钟，除去胶体球后，得到Co球Nb膜异质结构超导材料。
[0022]显然，本领域的技术人员可以对本发明的制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
【权利要求】
1.一种Co球Nb膜异质结构超导材料，其特征在于:包括衬底、Nb膜、Co空心球阵列膜，Nb膜位于衬底之上，Co空心球阵列膜覆盖于Nb膜之上；所述Co空心球阵列膜由多个Co空心球单层紧密排列为六角蜂巢形阵列。
2.根据权利要求1所述的Co球Nb膜异质结构超导材料，其特征在于:所述衬底为高阻硅衬底；所述Nb膜的厚度为70~200nm ;所述Co空心球的直径为500~2000nm，壁厚为20 ~100 nm。
3.根据权利要求1或2所述的Co球Nb膜异质结构超导材料，其特征在于:所述Co空心球设有开孔，相邻Co空心球的孔间相互连通。
4.一种权利要求1所述的Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步、对衬底进行清洗； 第二步、合成Nb膜； 将衬底放入真空磁控溅射镀膜机中；将Nb靶放置于磁控溅射靶位，抽真空，进行溅射镀膜，合成Nb膜； 第三步、在镀有Nb膜的衬底上合成胶体晶体模板； 采用气-液界面合成法，使胶体球附于衬底表面，形成胶体晶体模板； 第四步、合成Co空心球阵列膜； 步骤一、磁控溅射Co膜； 将第三步合成的带有胶体晶体模板的衬底置于真空磁控溅射镀膜机中，将Co靶材放置于磁控溅射靶位；抽真空，进行溅射镀膜； 步骤二、去除胶体晶体模板； 将步骤一所合成的样品浸入到二氯甲烷中，使胶体球溶于二氯甲烷，除去胶体球后，得到Co球Nb膜异质结构超导材料。
5.根据权利要求4所述的Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，所述第一步的清洗方法为: 工序一、将衬底置于丙酮中超声清洗40分钟，然后用去离子水清洗多次； 工序二、将衬底置于无水乙醇中超声清洗40分钟，然后用去离子水清洗多次； 工序三、将衬底置于蒸馏水中超声清洗30分钟后，置于无水乙醇中待用；待用的时间不大于I个月。
6.根据权利要求4所述的Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，所述第二步中溅射镀膜的溅射功率为70瓦，预溅射时间为5000~9000秒，溅射沉积时间为1500~5000秒；所述第四步中溅射镀膜的溅射功率为50瓦,预溅射时间100秒,溅射时间1000 ~3000 秒。
7.根据权利要求4所述的Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，所述Nb靶纯度为99.999% ;所述Co靶材的纯度为99.999%。
8.根据权利要求4所述的Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，所述第三步合成胶体晶体模板的具体方法为: 首先，将胶体球溶液与无水乙醇和去离子水混合，形成混合溶液，再将混合溶液注入到注射器中；然后，取一带有Nb膜的衬底，衬底上除一角落外，全部铺上一层去离子水； 随后，将注射器在衬底上没有去离子水的一端开始逐步推进，当混合溶液与去离子水的边缘相接触时，混合溶液在衬底边缘与去离子水发生界面作用，在表面张力的作用下，胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜； 最后，将多余的去离子水吸走，从而在衬底上形成规则的胶体晶体模板。
9.根据权利要求8所述的Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，所述胶体球溶液与无水乙醇和去离子水的体积比为: 对于直径为2微米的胶体球，胶体球溶液:无水乙醇为1:1 ； 对于直径为I微米的胶体球，胶体球溶液:去离子水:无水乙醇为1:1:2 ; 对于直径为500nm的胶体球，胶体球溶液:去离子水:无水乙醇为1:3:4。
10.根据权利要求8所述的Co球Nb膜异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，所述胶体球溶液是质量比10%的聚苯乙烯胶体晶体溶液；所述胶体球是直径为500~2000纳米的聚苯乙烯胶体球。
【文档编号】C23C14/14GK103915215SQ201410150217
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月16日 优先权日:2014年4月16日
【发明者】李志刚, 陈卫平, 李艳萍, 王天乐 申请人:李志刚, 台州学院