一种镍酸盐薄膜超导电性的可逆调控方法

本发明属于超导性薄膜材料，尤其涉及一种镍酸盐薄膜超导电性的可逆调控方法。

背景技术：

1、超导材料是一种具有零电阻和完全抗抗磁性的物质，它们在凝聚态物理领域有着悠久的历史和广阔的应用前景。超导材料的应用领域包括:制造超导电缆、磁悬浮列车；利用超导磁铁在对撞机、核磁共振等领域；制作并应用在谐振腔、滤波器等微波通信器件；未来用于新型量子计算机等。超导薄膜是超导材料的重要组成部分，它们支撑着超导应用的半壁江山。同时，超导薄膜也是超导机理探索的关键因素，因为有些超导体系难以合成高质量的单晶或多晶块材，而这些体系往往只能以亚稳态的薄膜形态存在。因此，超导薄膜的制备能够为机理研究提供实验基础。超导薄膜不仅在超导应用方面扮演着举足轻重的角色，而且是超导机理研究的良好载体，是连接超导应用和机理的桥梁。脉冲激光沉积(pld)是最常用的超导薄膜制备技术之一。

2、最近几年，镍基氧化物超导材料方面的研究进展吸引了广大科研工作者的密切关注，其原因是镍基超导的母体rnio2(r为稀土元素)与铜氧化物高温超导母体之一cacuo2具有相似的晶体结构，而且其最外层轨道电子排布(3d9)与众多的铜氧化物超导体的母体相似。因此，对相关镍氧化物进行深入的探索和研究，可以帮助进一步理解非常规高温超导的物理起源。对于制备这种钙钛矿型镍酸盐薄膜的方法则成为了一个长期备受关注的课题。为了探索与超导铜酸盐的类比，最近发现掺杂无限层镍酸盐具有超导性nd0.8sr0.2nio2薄膜被誉为高温超导领域的又一里程碑。镍酸盐代表了一种新型的超导性，并激发了许多理论工作来探索铜酸盐的异同。

3、镍基超导相关研究充满机遇，但是也面临巨大挑战。其中最大的困难就是材料制。镍基超导薄膜报道后的三年内，国内外能够独立实现镍基超导态的课题组很少。样品的稀缺性很大程度制约了后续的相关研究。目前的镍基超导研究主要聚焦在微观超导机制方面，而基于gl理论描述镍基超导薄膜电子性质以及在磁通动力学、超导电子学方面的报道较少。所以，如何获得高质量单晶镍基超导薄膜材料将会是接下来镍基超导研究的重点。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：镍基超导薄膜的制备条件苛刻，需要通过软化学还原反应将钙钛矿镍氧化物前驱体还原为无限层结构，这一过程需要精确控制还原温度、时间、气氛等参数，否则会影响薄膜的质量和超导性。

5、镍基超导薄膜的稳定性较差，容易受到空气和水分的影响而退化。因此，需要在惰性气氛或真空环境中进行制备和测量，并采用特殊的封装技术来保护薄膜。

6、镍基超导薄膜的超导机理尚不清楚，与铜氧化物高温超导材料是否具有相同或相似的微观机理仍有争议。目前有多种理论模型试图解释镍基超导的起源和特征，但都还没有得到广泛认可和验证。这主要的困难时如何获得高质量单晶镍基超导薄膜材料。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种镍酸盐薄膜超导电性的可逆调控方法，通过激光脉冲在srtio3基底上沉积生长钙钛矿型镍酸盐nd0.8sr0.2nio3薄膜，所制备的单晶薄膜晶体质量好，稳定性高，有效解决了薄膜致密性不好、稳定性差及易脱落等问题。此外，通过氧化反应可逆调控氧原子的“脱嵌和插入”，成功的实现了镍酸盐从钙钛矿到无限层结构之间的可逆转变且不失超导性的创新方法。本方法操作简单，重复性好，证明了钙钛矿nd0.8sr0.2nio3和无限层nd0.8sr0.2nio2薄膜之间的可逆转变，而不会失去它们的结构框架和拓扑关系。

2、本发明是这样实现的，一种镍酸盐薄膜超导电性的可逆调控方法，包括：

3、s1，将利用氢氟酸刻蚀后的srtio3作为薄膜生长的衬底，以提前制备出的nd0.8sr0.2nio3为靶材，在一定氧分压，衬底温度和激光能量密度下进行脉冲激光沉积，得到高质量的钙钛矿nd0.8sr0.2nio3薄膜；进一步将沉积的薄膜样品包裹在铝箔中与还原剂cah2粉末混合在石英管并抽真空密封，然后放在管式炉中进行退火处理，最终获得具有超导特性的无限层结构nd0.8sr0.2nio2薄膜；

4、s2，将具有超导特性的无限层nd0.8sr0.2nio2薄膜放在空气中加热至630℃，将其氧化为与初始制备相同结构的钙钛矿nd0.8sr0.2nio3薄膜。

5、进一步，srtio3衬底与靶材之间的距离为55-60mm。

6、进一步，s1中，使用248nm krf准分子激光器通过脉冲激光沉积生长在尺寸为5×5mm的tio2封端的srtio3衬底表面。

7、进一步，s1中，钙钛矿型镍酸盐薄膜在600℃～620℃，150～200mtorr的氧压，1～1.2j cm-2的激光能量密度区间沉积。

8、进一步，s1中，沉积的薄膜包裹在铝箔中与约0.1-0.2克cah2粉末一起抽真空密封在石英管中(管内气压小于1mtorr)，放置在温度为300℃的管式炉中进行还原。

9、进一步，s2中，将具有超导特性的无限层nd0.8sr0.2nio2薄膜放置于管式炉中并在空气中加热至630℃进行氧化，获得初始制备相同结构的钙钛矿nd0.8sr0.2nio3薄膜。

10、进一步，s2中，进一步，将还原和氧化过程可逆重复十次，仍然稳定的获得具有超导特性的无限层结构nd0.8sr0.2nio2薄膜。

11、进一步，s2中，获得的具有超导特性的无限层nd0.8sr0.2nio2薄膜置于管式炉中在空气中加热至550-650℃，保温时间为1-2h，升温速率为10℃/min。

12、本发明的另一目的在于提供一种镍酸盐薄膜超导电性的可逆调控系统，包括以下组件和步骤：

13、(a)一个设定距离为55mm的薄膜沉积组件，用于在srtio3衬底上沉积钙钛矿结构的nd0.8sr0.2nio3靶材薄膜，其中衬底尺寸为5×5mm并封端于tio2；

14、(b)一个脉冲激光装置，配备248nm krf准分子激光器，在一定氧分压和激光能量密度下对靶材进行脉冲激光沉积，以形成所述钙钛矿nd0.8sr0.2nio3薄膜；

15、(c)一个包裹和密封系统，用于将沉积后的薄膜样品包裹在铝箔中，并与还原剂cah2粉末混合后放入石英管内抽真空密封；

16、(d)一个退火处理装置，用于将密封的样品放入管式炉中进行退火处理，以得到具有超导特性的无限层结构nd0.8sr0.2nio2薄膜；

17、(e)一个氧化系统，用于将步骤(d)中得到的超导薄膜在空气中加热至630℃，以将其氧化并恢复至初始制备相同结构的钙钛矿nd0.8sr0.2nio3薄膜；

18、其中，所述系统能够实现镍酸盐薄膜的超导电性的可逆调控。

19、进一步，(a)所述薄膜沉积组件的靶材与衬底之间设定的距离确保了薄膜生长的均匀性和高质量；

20、(b)所述脉冲激光装置的激光器参数特别优化，以适应钙钛矿nd0.8sr0.2nio3薄膜的生长条件；

21、(c)所述包裹和密封系统的抽真空和混合过程严格控制，以保证还原反应的均匀性和有效性；

22、(d)所述退火处理装置的温度和时间参数精确设置，以确保获得稳定的超导特性；

23、(e)所述氧化系统能够精确控制加热温度和时间，确保薄膜的氧化过程是可逆的，并保持超导薄膜的结构和电性质的稳定性；

24、由此，该系统提供了一种高效、可控的方法，用于在镍酸盐薄膜中调控超导性，适用于高性能电子器件的制造和研究领域。

25、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

26、第一，本发明通过脉冲激光沉积的方法在srtio3衬底上生长单晶钙钛矿型镍酸盐薄膜，所制备的单晶薄膜晶体质量好，稳定性高。通过低温还原获得具有超导特性的无限层结构nd0.8sr0.2nio2薄膜。将具有超导特性的无限层nd0.8sr0.2nio2薄膜放在空气中加热，将其氧化为与初始制备相同结构的钙钛矿nd0.8sr0.2nio3薄膜。

27、将还原和氧化过程可逆重复十次，仍然稳定的获得具有超导特性的无限层结构nd0.8sr0.2nio2薄膜。本发明操作简单，有效的解决了薄膜结构稳定性，通过氧化反应可逆调控氧原子的“脱嵌和插入”，成功的实现了镍酸盐从钙钛矿到无限层结构之间的可逆转变且不失超导性的创新方法。本方法操作简单，重复性好，证明了钙钛矿nd0.8sr0.2nio3和无限层nd0.8sr0.2nio2薄膜之间的可逆转变，而不会失去它们的结构框架和拓扑关系。

28、第二，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：具有强健稳定性的无限层结构镍酸盐超导薄膜可以为开发新型的超导器件和应用提供新的材料选择和设计思路，如超导电缆、磁悬浮列车、核磁共振仪、量子计算等，具有广阔的市场前景和社会效益。

29、本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：无限层结构的镍酸盐超导薄膜可以为深入理解高温超导的基本机理提供新的平台和实验手段，有助于揭示超导电性的起源和调控方法，推动超导理论和模型的发展。首次解决了钙钛矿nd0.8sr0.2nio3和无限层nd0.8sr0.2nio2薄膜之间的可逆转变，而不会失去它们的结构框架和拓扑关系。此方法操作简单稳定，并经过10次氧化循环后仍然保持强健的超导性，的工作对于今后镍酸盐超导体的潜在器件应用具有重要意义。

30、本发明的技术方案是否克服了技术偏见：首次利用空气中氧化的方法成功的实现了无限层结构镍酸盐nd0.8sr0.2nio2薄膜转变为钙钛矿前驱体nd0.8sr0.2nio3薄膜，此方法操作简单稳定。打破了人们认为无限层结构镍酸盐薄膜不稳定的认知。

31、第三，对于本发明提到的两个实施例，所带来的显著技术进步可以如下描述：

32、环境监测无人机系统的技术进步：

33、1.实时监测与快速响应：无人机能够在短时间内覆盖大面积区域，实现对复杂地形或难以接近区域的实时监控，尤其对于火灾等紧急情况，快速响应能力显著提高。

34、2.数据精度与处理效率：结合多种传感器和高级数据分析工具，该系统能提供更准确的环境质量分析，以及高效的数据处理能力，从而提高决策的有效性。

35、3.资源优化与环境保护：该系统的使用有助于更有效的资源配置，如及时发现并应对污染事件，减少环境损害和公共健康风险。

36、智能农业灌溉系统的技术进步：

37、1.资源管理与节约：通过精确控制灌溉，该系统能显著减少水资源浪费，同时保持作物生长所需的最佳水分条件，有助于可持续农业的实现。

38、2.产量提升与风险降低：智能预测和调整灌溉量能够根据植物实际需求和天气变化来优化作物生长，提高产量和作物质量，同时减少由于过度灌溉或缺水引起的风险。

39、3.自动化与用户体验：自动化灌溉系统减轻了农户的劳动强度，用户友好的界面和数据驱动的决策支持使得非技术用户也能轻松管理和操作系统。

40、这些技术进步对于社会经济和环境都有深远的影响，提升了生态可持续性和农业生产效率。