改良型高温超导同质双磊晶约瑟夫结

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1、改良型高溫超導同質雙磊晶約瑟夫結李可欣齊正中國立清華大學物理所E-mail:cchi@phys.nthu.edu.tw■680■物理雙月刊（廿四卷五期）2002年10月一.引言在高溫超導電性中，缺陷扮演一個重要的角色，一方面缺陷可作為磁場面的釘扎中心，提高臨界電流密度；另一方面，缺陷也會在超導體中形成弱連結，降低臨界電流密度。晶界(grainboundary)或許是高溫超導體中最重要的缺陷，它可被視為弱連結並用來製作約瑟夫元件。起初，晶界結(grainboundaryjunction)是利用多晶材料中自然形成的晶界，這種方法雖然

2、簡單卻無法重複。1988年時，IBM發展出雙晶基板晶界結(bi-crystalgrainboundaryjunction)，特點是基板已定義出兩半部晶軸方向的夾角，超導薄膜便成長在此基板上，形成界面，然而此種方式並不易發展製作大型電路。另一種製作晶界結的方式，採用雙磊晶結構，藉由成長中間層(intermediatelayer)來控制晶軸方向。通常中間層不具有超導性，用以決定晶軸方向，而有些中間層的目的，則避免不同層間的化學反應，並提供晶格常數的緩衝。一般地說，薄膜成長時的基板溫度、氧氣分壓和基板表面性質都會影響中間層超導薄膜的晶

3、軸方向。雙磊晶晶界結(bi-epitaxialgrainboundaryjunction)首先由Conductus[1,2]公司發展成功，其結構為【YBCO/CeO2/MgO/SrTiO3（450），YBCO/SrTiO3（00）】。在此，CeO2可讓YBCO層的a-b平面旋轉450(相較於SrTiO3基板)。此種雙磊晶結構雖然在製作上較為複雜，但是由於我們可以任意決定晶界出現的位置，故具有發展大型元件的潛力。之後，其它的雙磊晶結構也積極地的發展與設計中，如【YBCO/CeO2/YSZ/MgO（450），YBCO/MgO（00）

4、】[3]，【YBCO/CeO2/YSZ/MgO（450），YBCO/CeO2/YSZ/PrBCO/MgO（00）】[4]，【YBCO(high-T)/YBCO(low-T)/YSZ（450），YBCO(high-T)/YSZ（00）】[5]，這些設計的目的在於得到更純淨的旋轉關係或製程上的簡化。二.理論簡介高溫超導晶界結的電性決定於界面上兩旁晶粒的晶軸方向，如圖1所示當晶軸夾角α（α=α1+α2）越大時，臨界電流密度Jc則大幅的減小[6]。由實驗結果，可得其近似關係為。對於由雙磊晶方法製作的晶界結，其晶軸夾角為450，A/cm2

5、，■680■物理雙月刊（廿四卷五期）2002年10月然而由於屬多層結構且在界面上有一高度差，實際上的Jc會略小於估計值。Sigrist及Rice根據高溫超導體d-波的對稱性寫下臨界電流密度和晶軸方向的關係式，分別代表晶界面與兩旁晶粒a軸(或b軸)的夾角，如圖1所示。由此式也可發現，Jc不但與α有關也和α1和α2相關。對於同一個α值，不同α1、α2的組合也會影響Jc的大小。圖一：高溫超導晶界面上視圖。另外，值得注意的是，微觀的晶界還存在有刻面(faceting)，而非平滑的界面。因此，將刻面效應考慮後，式子將改寫為。刻面具有不同的

6、晶軸方向，也可能造成Jc具有負值。一般而言，α值增加時，含有大角度刻面的比例也會增加。簡而言之，d波對稱和刻面這兩種效應會決定高溫超導晶界結的Jc數值與方向，在晶界面上有不均勻的分佈[7]。從Ic和磁場關係的量測上，我們可以得到Jc在空間上的分布。若是分布均勻的Jc，會得到典型的Fraunhofer繞射圖形。三.實驗同質雙磊晶(homo-biepitaxial)結構【YBCO(high-T)/YBCO(low-T)/YSZ，YBCO(high-T)/YSZ】幾年前開始於本實驗室研究發展。其優點是直接利用YBCO來作為中間層，簡化

7、製程參數，避免不同磊晶層間的化學反應，並且由於YBCO為淡棕色，可以此作為蝕刻終點。原理係利用YBCO在YSZ上不同的成長溫度來控制兩者a-b平面間旋轉00或450。在低溫(～6600)時，YBCO(a~b~3.9Å)會直接成長在YSZ(a=b=5.139Å)，故呈現450。在高溫時(>7800C)，YBCO與YSZ之間形成一BaZrO3(a=b=4.2Å)作為緩衝層，抵消YBCO與YSZ之間的晶格差異，故呈00。此一結構在YBCO(high-T)/YBCO(low-T)/YSZ部分，基板與薄膜間呈現純淨450的旋轉，然而另一部

8、份YBCO(high-T)/YSZ卻因為需加入蝕刻的製程，破壞基板表面性質，無法得到純淨的00旋轉。此處高溫是以8200成長，低溫是以6600成長。如圖2(b)，先在低溫成長一層YBCO，接著以離子研磨機蝕刻，最後成長高溫YBCO，得到的為450與00共存的介面