基于飞秒激光的在YBa2Cu3O7-X超导薄膜上制备微纳米收缩结构的方法与流程

本发明涉及一种基于飞秒激光的在yba2cu3o7-x超导薄膜上制备微纳米收缩结构的方法，并涉及一种新的超导体装置。

背景技术：

收缩型约瑟夫森结，超导量子干涉装置(squids)和微带线谐振器是重要的超导装置，在应用于传感器和探测器，先进电子，成像，通信行业和量子计算机领域时，具有独特的性质和优势。随着yba2cu3o7-x(ybco)超导体和非常高质量的yba2cu3o7-x(ybco)薄膜的出现，基于ybco的超导装置在液氮温度下工作是可能的。因此，约瑟夫森结、squids及类似物的制备研究有所增加。此外，该领域的专利，例如ep0384521和us4985117a，反映了这些装置的商业重要性。本发明的一个目的是提供在ybco超导薄膜上的微纳米平面结构，并提供(a)收缩型约瑟夫森结，(b)squids和(c)微带线谐振器。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供一种在ybco薄膜上制备微纳米收缩结构的方法，该方法包括：

用飞秒激光将预定图案烧蚀到薄膜上。

在本说明书中，微收缩结构的定义涉及收缩尺寸以微米和亚微米为单位的结构。

在本说明书中，纳米收缩结构的定义涉及收缩尺寸为纳米级的结构。

术语烧蚀包括烧蚀和蚀刻两个过程，因为激光对薄膜的影响包括前两个过程。因此，术语烧蚀的也包括蚀刻和光刻。

薄膜可以是yba2cu3o7-x薄膜。薄膜可预先沉积在以下任何一种衬底上：氧化镁(mgo)衬底或铝酸镧(lao)衬底。

飞秒激光参数可以在以下范围内：

激光功率为1mw至1w；

激光的重复频率为1khz至2khz；

激光束进给速率为16.6μm/s至500μm/s；

脉冲持续时间为130fs；

激光束光点尺寸为7.3μm至17μm。

该方法可以包括控制激光烧蚀点之间的激光束间距在8μm至18μm的范围内。

该激光可具有约795nm的波长，脉冲持续时间约为130fs，重复频率在1khz至2khz之间。

预定图案可以定义为收缩型约瑟夫森结和s形收缩中的任何一种，其中收缩范围从微米到纳米尺寸。s形收缩由两条相反的平形线限定，每条线的一端至少部分地重叠，以确定它们之间收缩，该收缩具有特定的长度和宽度。沿着薄膜的宽度，线间距可以在5μm至10μm的范围内。

预定图案可以是复合图案，所述复合图案限定了一种复合装置，所述复合装置具备基于约瑟夫森结的超导量子干涉装置(squid)和基于微带的微带线谐振器中的任何一种形式。

可以通过控制平移阶段相对于激光的移动来确定要烧蚀的预定图案。

平移阶段可以由计算机辅助制造语言控制。

计算机辅助制造语言可以是gcode。

本发明涉及一种超导体装置，该超导体装置包括ybco薄膜，在该薄膜上通过飞秒激光烧蚀预定图案。超导体装置的薄膜可以是yba2cu3o7-x薄膜。薄膜可以预先沉积在氧化镁(mgo)或铝酸镧(lao)衬底中的任何一种上。

超导体装置上的预定图案可以定义为收缩型约瑟夫森结和s形收缩中的任何一种，其中收缩范围从微米到纳米尺寸。

超导体装置上的s形收缩可以由两条相反的平形线限定，其中每条线的一端至少部分地重叠，以确定它们之间的收缩。

超导体装置上的线间距沿薄膜的宽度可以在5μm至10μm的范围内。

超导体装置上的预定图案可以是复合图案，所述复合图案限定了一种复合装置，所述复合装置具备基于约瑟夫森结的超导量子干涉装置(squid)和基于微带的微带线谐振器中的任何一种形式。

现在将参考以下附图仅通过非限制性示例来描述本发明。

附图说明

在图中：

图1示出了根据本发明的用于制备微纳米级ybco收缩的飞秒激光实验装置的框图；

图2示出了根据本发明的一个方面的s形收缩的设计；

图3示出了传统的收缩设计；

图4示出了激光烧蚀隧道的原子力显微镜(afm)图像扫描的轮廓分布和在制备收缩期间获得的afm扫描的三维图像；

图5示出了在lao衬底上ybco的平方烧蚀直径(d²)与峰值激光能量密度(f0)的关系图；

图6示出了激光蚀坑的afm图像扫描的轮廓分布图，该激光蚀坑是在制造过程中产生的，激光入射功率为4.22mw，蚀坑深度为146.2nm，重点示出了蚀坑深度。

图7示出了ybco的烧蚀坑深度(dmax)与入射峰值能量(f0)的关系图；

图8示出了一个s形收缩的afm图像扫描的轮廓分布，激光的功率被设置为4.9mw，并使用45mm的球面凸透镜，1.465μm的收缩宽度，75μm的扫描区域和18.7μm的激光光点间距；

图9示出了图8的收缩的俯视图和三维视图，重点示出了收缩的宽度；

图10示出了图8中的收缩的俯视图；重点示出了收缩的长度；

图11示出了s形收缩的afm图像扫描的轮廓分布，激光功率功率被设置为2.104mw，数值孔径(na)为0.25透镜，收缩宽度为1.094μm，扫描区域为40μm，激光点间距为8μm；

图12示出了图11的收缩的俯视图和三维视图，重点示出了收缩的宽度；

图13示出了图11的收缩的俯视图，重点示出了收缩的长度；

图14示出了s形收缩的afm图像扫描的轮廓分布，功率设置为2.035mw，球形凸透镜为30mm，结宽度为858.3nm，扫描面积为14.6μm×14.6μm，激光间距1为6.50μm；

图15示出了图14的收缩的俯视图和三维视图，重点示出了在于收缩的宽度；

图16示出了图14的afm图像扫描的三维视图，重点示出了收缩的长度；

图17示出了s形收缩的afm图像扫描的轮廓分布，激光功率被设置为2.035mw，球形凸透镜为30mm，结宽为576.7nm，扫描面积为49.2μmx49.2μm，激光点间距为16.00μm；和

图18示出了图17的收缩的顶视图和三维视图，重点示出了其宽度；

在附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记表示本发明的相同部分。

具体实施例

实验设置和如何实现该方法的示例是通过图1和本说明书的其余部分进行描述的。

实验装置主要包括激光源(灯)(12)，其中辐射参数可被控制。在设置方式内，激光功率控制在2.7mw左右，激光工作波长约为795nm，脉冲持续时间为130fs，脉冲重复频率为1-2khz。

飞秒激光源(12)具有一接口，该接口可用于控制平均激光功率输出，其设置范围为约1mw至1000mw，灯电流和脉冲重复频率也可以被调整。

透镜(14)用于准直光束。透镜(14)由两个25mm×25mm的物理尺寸的圆柱形透镜组成，它们分别具有50mm和100mm的焦距。透镜(14)用于在准直光束之前，展开高斯激光束光点的x方向，因为激光光点是椭圆形的，x方向略小于或窄于y方向。激光束腰部在y方向上宽约9.85mm。准直透镜垂直放置在要展开的方向，在这种情况下，要展开的方向是x方向。

光圈(16)，具有设置为9.85mm的孔径，用于在高斯光束形状的外周准直后，阻挡激光光点的某些不需要的部分。因此，从光圈出来的光束点直径接近10mm。

光束被镜子(18)反射并穿过1.5mm直径的光圈(20)，以过滤一些球面像差，并尽可能地减小激光束光点的尺寸。使用第二光圈(20)是因为用于准直光束的柱面透镜并不完美，并且10mm的激光束点在尺寸上与柱面透镜相当，使得光束点非常接近圆柱的边缘，并引起光束的球面像差。这导致在用球面凸透镜或数值孔径(na)物镜聚焦之后形成更大的烧蚀点。光圈(20)设置为1.5mm的手动光圈。该光圈(20)仅允许激光器的中心核心以最高强度通过。

激光束通过另一组反射镜(22)传递到na为0.25的na物镜(24)，放大倍数为x10。na物镜(24)用于将激光束聚焦到尽可能小的光点。这使得从激光源(12)射出具有约2.0mw的较低功率的激光束能够用于蚀刻ybco薄膜。当na物镜(24)将功率集中到较小的光点，从而增加能量密度，并仍然以低功率烧蚀ybco薄膜时，实现了该结果。然而，在另一个实施例中，na物镜可以用相对焦距在30mm和45mm之间的传统球面凸透镜代替。

平移阶段(26)以三维方式移动，即(x，y，z)，并且用于在蚀刻收缩部分的同时保持ybco样品。平移阶段(26)由来自供应商的软件程序控制。也可以使用软件编译的gcode编程语言对平移阶段进行编程控制。

s形收缩的光刻设计

s形收缩的形状类似于字母“s”。在该示例中，编写了一个简单的gcode程序来驱动平移阶段(26)，从而提供了制备s形收缩的方法。在s形收缩的设计中，可以控制收缩的宽度和长度，如图2所示。在图2中，“s.m.f”指的是短移动因子，“l.m.f”指的是长移动因子，“l.f”是指长度系数。可以看到烧蚀带，以及收缩的长度和宽度。

在s形收缩中，一个激光烧蚀点与另一个重叠。因此，通过使激光烧蚀点沿几何方形样品的长度更近，可以容易地调节桥接处的宽度。此外，通过沿方形样品的宽度分离激光点，可以调节桥接处的重叠长度，如图2所示。

从图3中可以看出，其表示标准的收缩形状类型，仅通过使烧蚀点彼此更接近来控制收缩的宽度。然而，收缩的长度限于标准收缩形状类型中的激光烧蚀点尺寸。

平移阶段(26)的gcode编程语言基本上包括(i)用于蚀刻烧蚀带状线的代码部分，以及(ii)用于制造s形缩的代码部分。烧蚀带线用于通过去除收缩部分之间的导电材料来将一个收缩与另一个收缩电隔开。它们是通过沿着ybco薄膜的长度垂直上下移动5mm来形成的。如图2所示，垂直线之间的水平间距约为5μm，从而形成0.5mm的烧蚀带线宽度以将一个结与另一个结分开。然后根据短的移动因子(s.m.f)长度沿着样品的长度垂直移动激光，沿着长度在预定位置水平地移动到样品中，然后再次移出。此后，激光沿着样品的长度向下移动，根据长移动因子(l.m.f)长度，跨越1mm的宽度到另一侧。接下来的激光运动包括沿着样品长度的预定位置，水平地进入样品，退回，然后沿着长度返回顶部以开始另一条带状线的烧蚀。

为了确定沿着激光器移动到样品中的长度的初始位置，计算某个因子，使得通过该因子划分样品的长度将产生短的移动，并且该因子被称为短移动因子(s.m.f)。通过第二因子划分长度将产生长的移动，该因子称为长移动因子(l.m.f)。从图2中可以看出，这两个因素决定了激光点之间的间距，因此决定了收缩的宽度。

短移动因子(s.m.f)的公式为：

其中l是方形样品的长度(5mm)，并且sw是沿样品长度方向的激光点间距。长移动因子(l.m.f)的相关公式是：

为了确定激光点的重叠长度并因此确定桥接处的长度，计算一个因子，使得通过该因子划分样品的宽度提供了将激光移动到样品中的距离。计算此长度因子(lf)的公式为：

其中样品的宽度w为1mm，sl是沿样品宽度的激光点之间的间隔。短移动因子(s.m.f)，长移动因子(l.m.f)和长度因子(lf)都可以在图2中看到。

理论上，收缩的宽度应由下面给出的公式4给出。但是，这有很多局限性。

收缩宽度＝sw-激光烧蚀宽度(公式4)

收缩的重叠长度由公式5给出。

收缩长度＝sl-激光烧蚀宽度(公式5)

激光进给速率约为20mm/min或333μms^-1。进给速率基本上是平移阶段(26)移动的速度。可以使用平移阶段(26)的接口软件根据要求调整进给速率。通常，进给速率越慢，烧蚀深度越高。

ybco薄膜峰值激光密度烧蚀阈值的确定

根据公式6计算样品前面的入射峰值激光能量密度，即入射到样品上的激光的峰值能量密度。

在公式6中，pavg是激光源(12)在所有光学激光束成形分量之后最终到达样本的平均功率输出，rep.rate是激光脉冲的频率或脉冲重复频率，w0是用于测量切割ybco薄膜上的桥的激光烧蚀点的半径。

如图4所示，通过使用原子力显微镜(afm)的悬臂探针扫描，测量烧蚀点的直径。扫描以90度对激光点进行，使得在地形图上拟合的横向线产生激光点的直径，在这种情况下约为28.51μm(28.51*10^-4cm)。然后使用公式6来计算应用于样本的每个功率设置的峰值激光能量密度，通过以厘米为单位代替测量的烧蚀束腰半径w0。表1示出了重复几次收缩切割。

表1：利用烧蚀点直径求ybco薄膜(fth.dia)的峰值激光能量密度烧蚀阈值。

假设光束轮廓的空间高斯形状，峰值激光能量密度烧蚀阈值(fth)是通过绘制图5中激光束直径((d²))与峰值激光能量密度(fo)的相关平方得到的。光滑曲线(或直线)表示曲线拟合的样条插值技术，而蓝色方块表示所获得的表数据点。

随后，利用matlab中的曲线拟合的样条插值技术，将曲线外推与x轴相交，并且通过外推到d²＞＞0²⁶来获得ybco的峰值激光能量密度烧蚀阈值((fth)值为0.824j/cm²。在这种情况下，利用样条插值技术，因为只有少数数据点可供使用，因为对于每个数据点，必须在薄膜材料上制备结。使用样条插值技术，人们能够在x截距上推断出几个点到d²＞＞0。利用半对数标度，使得平方光束直径以正常标度绘制在y轴上，而峰值激光能量密度(f0)以对数标度绘制在x轴上，如图所示5。

蚀坑形貌法验证峰值激光能量密度烧蚀阈值

为了验证上面获得的ybco的烧蚀阈值的结果，也可以使用蚀坑形貌方法。在烧蚀期间，形成具有一定深度轮廓的蚀坑，其可使用原子力显微镜(afm)扫描来测量。

利用原子力显微镜获得的地形线拟合扫描的横截面，图6中的深度分布表明，对于4.22mw的入射功率，最大蚀坑深度为146.2nm。对于具有不同功率的一系列afm扫描，重复该方法以获得表2。

表2：利用蚀坑深度法寻找峰值激光能量密度烧蚀阈值。

随后，在图7中，最大蚀坑深度的峰值激光能量密度被绘制，其中红线用于样条拟合，蓝线用于表格绘制的值。

然后利用样条插值技术将曲线外推，使其与x轴相交。然后通过外推dmax＞＞0得到了ybco的峰值激光能量密度烧蚀阈值。如图7所示，再次使用半对数标度。

从蚀坑深度(fth.dep)获得的峰值激光能量密度烧蚀阈值的值与从烧蚀直径(fth，dia)获得的值非常接近，即分别为(0.74j/cm²,0.824j/cm²)。然而，仍存在细微差别，这可能归因于用于外推的点数实际上应该更多，以获得精确测量。

球面凸透镜(45mm焦距)制备微米级s形收缩

采用上述方法，在ybco超导薄膜上制备了微米级的s形收缩，具有以下：焦距为45mm的球面凸透镜，激光功率为4.9mw，激光点间距(sw)为18.7μm，即在gcode中用于平移阶段的激光点之间施加的间距。激光烧蚀点为18.05μm。如图8所示，这是对样品的afm扫描，在最窄的点处得到的结的宽度约为1.465μm。因此，因此，该图示出了收缩的轮廓分布，其用于精确地测量收缩的宽度。

根据上面的公式7，理论上收缩宽度约为0.7μm。然而，实际上，由于诸如实验室内的激光室温、振动、气流和激光进给速率等因素，这不能实现。

收缩宽度也可以通过在地形线拟合上的最窄点绘制一条线来确定，如图9中的两个黑色光标所示。同样地，收缩长度可以确定为大约10.08μm。如图10所示。

采用x10放大倍数的数值孔径为0.25的透镜制备微米尺寸s形结

将45mm球面凸透镜替换为放大倍数x10的数值孔径为0.25(na)物镜，以减小用于切割的激光的光点尺寸。

所获得的s形收缩的宽度约为1.094μm，如图11中用afm制作的收缩的轮廓分布所示。通过在afm悬臂尖端扫描时拍摄快照，在收缩部分的最窄点处测量该宽度。

图12示出了整个收缩扫描和三维图像，而图13示出了通过两个光标测量的s形收缩的长度，测量值是6.322μm。激光光点大小约为7.344μm。采用数值孔径为0.25的(na)透镜,进一步聚焦激光,可获得约7.344μm的较小的激光烧蚀光点尺寸,从而使光点间距减小到8.0μm。理论上，由此，收缩宽度可以约为0.6μm。然而，实验中实际达到的结宽度为1.094μm。

由于激光烧蚀点尺寸较小，激光烧蚀点重叠程度较小，因此，当使用na0.25透镜时，测量的重叠长度也从10.0μm减小到6.322μm，如图13所示。

图12示出了与黑色光标配合的形貌线上的收缩宽度，黑色光标表示收缩线的宽度约为1.094μm。

使用球面凸透镜(30mm焦距)制备亚微米尺寸的s形结

采用30mm焦距的传统球面凸透镜来切割收缩，并且实现了858.3nm的亚微米尺寸的收缩。激光烧蚀点尺寸由na为0.25物镜的7.344μm增大到30mm焦距球面凸透镜的15.8μm。然而，这个光点尺寸仍然略小于45mm焦距球面凸透镜所获得的光点尺寸。使用30mm焦距球面凸透镜，激光功率设置为2.035mw，实现了亚微米尺寸的宽度为858.3nm的收缩，如图14所示。在此图中，绘制了地形线拟合图，并使用afm在收缩的最窄点处拍摄了快照。通过在最窄点处在轮廓分布上绘制线来确定宽度。afm用于放大样品上14.6μm×14.6μm的扫描区域，就在收缩处附近，如图14所示gcode中激光点间距为16.5μm，光点尺寸为15.8μm。

收缩的俯视图和三维(3d)视图如图15所示。从图16中可以看出，结的长度计算为大约9.657μm。

球面凸透镜(30mm焦距)制备亚微米尺寸的s形结

制备亚微米尺寸的结，其收缩宽度为576.7nm。在用于控制平移阶段(26)的gcode中，激光束点间距设定为16.0μm，而测量激光烧蚀点尺寸为15.8μm。

图17示出了收缩的轮廓，其中横跨在零线或高度之上的交叉点截面绘制了一条线。该线的长度给出了结的宽度，约为576.7nm。

图18示出了图17的收缩的放大图像，扫描区域为18.8μm×18.8μm。在该图中，收缩的3d形状清晰可见。在这种尺度下，收缩非常接近塌陷，这可以从它的3d图像中观察到。

发明人认为，本发明提供了一种制备超导薄膜装置的新方法，例如纳米微收缩型约瑟夫森结，squids，带状线谐振器和其它既新颖又具有创造性的超导装置。该方法可以更好地控制超导薄膜装置的制备，其可以容易地通过预编程的飞秒激光系统制备。此外，发明人认为本发明提供了一种新的超导体装置。