聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料，包括衬底、铌膜和聚苯乙烯胶体六角阵列膜，铌膜位于衬底之上，聚苯乙烯六角阵列膜覆盖于铌膜之上；聚苯乙烯六角阵列膜包括多个聚苯乙烯胶体微球，各聚苯乙烯胶体微球以单层紧密排列为六角状阵列。本发明还公开了所述超导材料的制备方法。本发明将聚苯乙烯胶体微球和铌超导薄膜材料构筑为异质结构纳米结构材料，通过改变胶体球和铌衬底的接触面积，调控超导转变的临界温度，从而提高铌薄膜的超导转变温度Tconset，材料制备工艺简单，所需的设备较少，大大降低超导材料的制备成本，有利于推广应用。
【专利说明】
聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料及制备方法。
【背景技术】
[0002]超导态是大量电子发生配对凝聚的宏观量子相干现象，它不仅有重要的应用价值，同时又涉及固体系统电子多体效应的重大基础科学问题。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。但目前超导材料在实用化道路上仍有许多障碍存在，对于一个超导材料而言，它的超导电性取决于三个临界参量:临界温度、临界磁场和临界电流密度，当温度、磁场和电流密度大于临界参量时，超导电性即被破坏。因此超导材料的实用化一方面取决于能否对超导电性实现有效控制，另一方面依赖于如何实现超导临界参量的优化和提高。
[0003]众所周知，在不同的压力下，超导薄膜的超导转变温度会发生变化，一般来讲，压强越大，材料的超导转变温度提升越明显。然而，从经济和实用的角度来讲，目前采用的通过高压提升材料超导转变温度的同时也限制了超导器件的应用。如何通过简便、经济的途径提升超导材料的临界温度，成为超导器件实用化的一个重要因素。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决目前超导材料一般通过高压提升超导转变温度，从而改善其超导电性，但巨大的压强对设备要求高，导致其应用困难，成本高的技术问题。
[0005]为实现以上发明目的，一方面，本发明提供一种聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料，包括衬底、铌膜和聚苯乙烯六角阵列膜，所述铌膜位于所述衬底之上，所述聚苯乙烯六角阵列膜覆盖于所述铌膜之上；
所述聚苯乙烯六角阵列膜包括多个聚苯乙烯胶体微球，各所述聚苯乙烯胶体微球以单层紧密排列为六角状阵列。
[0006]进一步地，所述衬底为尚阻娃衬底。
[0007 ] 进一步地，所述银膜的厚度为7 Onm?200nm。
[0008]进一步地，所述聚苯乙稀胶体微球的直径为10nm?2000nm。
[0009]另一方面，本发明提供一种聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)清洗衬底；
(2)合成铌膜:将所述衬底放入真空磁控溅射镀膜机中，将铌靶放置于磁控溅射靶位，抽真空，进行溅射镀膜，合成铌膜；
(3 )在所述衬底上镀上所述铌膜；
(4)采用气-液界面合成法，将聚苯乙烯胶体微球附于镀有铌膜的所述衬底表面，形成聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料。
[0010]进一步地，所述步骤(I)中，清洗所述衬底的工序包括: (101)将所述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；
(102)将所述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；
(103)将所述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。
[0011]进一步地，所述步骤(2)中，溅射镀膜时，将所述衬底的温度保持在400°C，抽真空至I O—7托，然后充入氩气进行溅射镀膜，溅射功率为70瓦，预溅射时间为3000秒，溅射沉积时间为1500秒?5000秒。
[0012]进一步地，步骤(2)中所述Nb靶纯度为99.99% ο
[0013]进一步地，步骤(4)中所述聚苯乙烯胶体微球阵列的直径误差彡8%。
[0014]进一步地，所述步骤(4)的工序如下:
(401)将聚苯乙烯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，再将混合液注入到注射器中；
(402)用所述注射器将所述混合液滴到所述衬底表面，所述混合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，使聚苯乙烯胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜;然后，用镀有铌膜的衬底将所述纳米结构膜捞起，用滤纸将所述纳米结构膜上多余的去离子水吸走，得到聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料。
[0015]进一步地，通过热处理改变所述聚苯乙烯胶体微球和所述铌膜之间的接触面积，热处理的温度范围为70 oC?100 °C，热处理时间为O?120分钟。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
本发明将聚苯乙烯胶体微球和铌超导薄膜材料构筑为异质结构纳米结构材料，通过改变胶体球和铌衬底的接触面积，调控超导转变的临界温度，从而提高铌薄膜的超导转变温度Tc°_t，材料制备工艺简单，所需的设备较少，大大降低超导材料的制备成本，有利于推广应用。
【附图说明】
[0017]图1是利用场发射扫描电镜得到的铌膜SEM(扫描电镜)图，其中颗粒的尺寸为40纳米左右；
图2是在铌膜上合成的聚苯乙烯球纳米结构阵列的SEM图，聚苯乙烯球直径为I微米；
图3为去掉一半聚苯乙烯球后的铌膜异质结构SEM图，聚苯乙烯球的下面为铌膜；
图4为本发明聚苯乙烯球铌膜异质结构超导材料，未进行热处理时，聚苯乙烯球和铌膜接触情况SEM图，接触面直径约为200 nm;
图5为本发明聚苯乙烯球与铌膜异质结构超导材料，100 °(:下热处理20分钟，聚苯乙烯球和铌膜接触情况的SEM图，接触面直径约为300 nm；
图6为本发明聚苯乙烯球与铌膜异质结构超导材料，100 °C下不同热处理时间所得到的R-T曲线。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0019]如图1-6所示，本发明的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料，包括衬底、铌膜和聚苯乙烯六角阵列膜，所述铌膜位于所述衬底之上，所述聚苯乙烯六角阵列膜覆盖于所述铌膜之上；
所述聚苯乙烯六角阵列膜包括多个聚苯乙烯胶体微球，各所述聚苯乙烯胶体微球以单层紧密排列为六角状阵列。
[0020]优选地，所述衬底为高阻硅衬底。
[0021 ] 优选地，所述银膜的厚度为70nm?200nm。
[0022 ] 优选地，所述聚苯乙稀胶体微球的直径为I OOnm?2000nm。
[0023]本发明的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)清洗衬底；
(2)合成铌膜:将所述衬底放入真空磁控溅射镀膜机中，将铌靶放置于磁控溅射靶位，抽真空，进行溅射镀膜，合成铌膜，如图1所示；
(3 )在所述衬底上镀上所述铌膜；
(4)采用气-液界面合成法，将聚苯乙烯胶体微球附于镀有铌膜的所述衬底表面，形成聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料，如图2和3所示。
[0024]优选地，所述步骤(I)中，清洗所述衬底的工序包括:
(101)将所述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；
(102)将所述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；
(103)将所述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。
[0025]优选地，所述步骤(2)中，溅射镀膜时，将所述衬底的温度保持在400°C，抽真空至I O—7托，然后充入氩气进行溅射镀膜，溅射功率为70瓦，预溅射时间为3000秒，溅射沉积时间为1500秒?5000秒。
[0026]优选地，步骤(2)中所述Nb靶纯度为99.99%。
[0027]优选地，步骤(4)中所述聚苯乙烯胶体微球阵列的直径误差彡8%。
[0028]优选地，所述步骤(4)的工序如下:
(401)将聚苯乙烯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，再将混合液注入到注射器中；
根据胶体微球的不同尺寸，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微米胶体微球，胶体球溶液:无水乙醇为1:1;
直径为I微米胶体微球，胶体球溶液:去离子水:无水乙醇为1: 1:2;
直径为500nm胶体微球，胶体球溶液:去离子水:无水乙醇为1:3:4;
直径为100 nm的胶体微球，胶体球溶液:去离子水:无水乙醇为1:9:10;
(402)用所述注射器将所述混合液滴到所述衬底表面，所述混合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，使聚苯乙烯胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜;然后，用镀有铌膜的衬底将所述纳米结构膜捞起，用滤纸将所述纳米结构膜上多余的去离子水吸走，得到聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料。
[0029]优选地，通过热处理改变所述聚苯乙烯胶体微球和所述铌膜之间的接触面积，热处理的温度范围为70 oC?100 °C，热处理时间为O?120分钟。
[0030]本发明的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料具有以下性能:
1、其超导转变温度为:铌薄膜的超导转变温度TC°nsetS9.0 K，聚苯乙烯胶体球/铌膜异质结构的超导转变温度Tc°nsetS9.03-9.05 K,如图6所示。
[0031]2、聚苯乙烯胶体球与铌膜异质结构接触面积随热处理时间和温度的变化，见图4和5。
[0032]3、热处理时间对超导转变温度!'(^⑷有明显的影响。
[0033]以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【主权项】
1.聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料，其特征在于，包括衬底、铌膜和聚苯乙烯六角阵列膜，所述铌膜位于所述衬底之上，所述聚苯乙烯六角阵列膜覆盖于所述铌膜之上； 所述聚苯乙烯六角阵列膜包括多个聚苯乙烯胶体微球，各所述聚苯乙烯胶体微球以单层紧密排列为六角状阵列。2.如权利要求1所述的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料，其特征在于，所述衬底为尚阻娃衬底。3.如权利要求1所述的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料，其特征在于，所述银膜的厚度为70nm?200nmo4.如权利要求1所述的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料，其特征在于，所述聚苯乙稀胶体微球的直径为10nm?2000nm。5.聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)清洗衬底； (2)合成铌膜:将所述衬底放入真空磁控溅射镀膜机中，将铌靶放置于磁控溅射靶位，抽真空，进行溅射镀膜，合成铌膜； (3 )在所述衬底上镀上所述铌膜； (4)采用气-液界面合成法，将聚苯乙烯胶体微球附于镀有铌膜的所述衬底表面，形成聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料。6.根据权利要求5所述的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)中，清洗所述衬底的工序包括: (101)将所述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； (102)将所述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； (103)将所述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。7.根据权利要求5所述的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，溅射镀膜时，将所述衬底的温度保持在400 °C，抽真空至10一7托，然后充入氩气进行溅射镀膜，溅射功率为70瓦，预溅射时间为3000秒，溅射沉积时间为1500秒?5000秒。8.根据权利要求5所述的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述Nb靶纯度为99.99% ο9.根据权利要求5所述的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述聚苯乙烯胶体微球阵列的直径误差<8%。10.根据权利要求5所述的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的工序如下: (401)将聚苯乙烯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，再将混合液注入到注射器中； (402)用所述注射器将所述混合液滴到所述衬底表面，所述混合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，使聚苯乙烯胶体球浮于液体表面，形成规则的纳米结构膜;然后，用镀有铌膜的衬底将所述纳米结构膜捞起，用滤纸将所述纳米结构膜上多余的去离子水吸走，得到聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料。11.根据权利要求5-10任一项所述的聚苯乙烯胶体球与铌膜复合异质结构超导材料的制备方法，其特征在于，通过热处理改变所述聚苯乙烯胶体微球和所述铌膜之间的接触面积，热处理的温度范围为70 oC?100 °C，热处理时间为O?120分钟。
【文档编号】H01L39/12GK105990512SQ201610466968
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】李志刚, 冯尚申, 王天乐, 南浩善
【申请人】李志刚, 台州学院