铁电/超导异质结制备及其交互作用研究

Multifunctional films play a very important role in the application of microelectric devices. A coupling effect between ferroelectric and ferromagnetic materials has been found before a dozen years, which has been promoting the research and development of multiferroic materials and their integration devices. Recently, a similar coupling effect between ferroelectric and superconducting materials was also discovered. The research results showed that ferroelectric polarization can improve the critical transition temperature of superconductor and in turn the superconductivity can influence the ferroelectric polarization. To make an in-deep study on the coupling effect between the two kinds of materials can not only help us understand deeply the mechanism of high-temperature superconductor, but also may develop a novel type of microelectronic devices similar with the multiferroic devices. In this study, several perovskite ceramics are used as ferroelectric material and YBa2Cu3O7 (YBCO) is used as superconducting material to prepare ferroelectric/superconductor heterostructure with coherent interface and investigate the coupling effect between ferroelectric and superconductor. Several new coupling effects are expected to reveal and the results will provide a novel material and approach for the development of multifunctional microelectric devices. In addition, according to the requirements for device fabrication the ferroelectric/superconductor heterostructures are photoetched into fine patterns by using a photosensitive sol-gel microfabrication technology. Meaningwhile, the size effect and the possibility for microelectric device application of these heterostructures are investigated.

功能复合薄膜材料在微器件领域有十分重要的应用。人们已经发现铁电材料和磁性材料之间存在耦合效应，从而推动了多铁性材料和多铁器件的研究。近年来的研究表明超导体和铁电体之间也存在交互作用，如铁电极化可以改变超导临界转变温度、超导电性也会影响铁电极化特性。深入研究这类材料的交互作用及其机理，不仅有助于深入了解高温超导的超导机理，还有可能发展出类似于多铁器件的另一类新型微电子器件。本课题拟选择几种钙钛矿类陶瓷薄膜作为铁电材料，以YBa2Cu3O7(YBCO)作为超导材料，制备具有共格界面的铁电/超导异质结构，研究铁电与高温超导之间的交互作用及其机理，期待发现新的耦合效应，从而为复合多功能器件的开发提供一种新材料、新方法。此外，在制备铁电/超导异质结的基础上，结合感光溶胶-凝胶微细加工技术，按照特定器件的要求将异质结制作成微细图形，研究这类异质结的尺寸效应及在微器件中的应用的可能性。

近年来研究表明超导体和铁电体之间存在交互作用，研究这类材料的交互作用及其机理，不仅有助于深入了解高温超导的机制，还有可能发展出新型超导微电子器件。该课题详细研究了铁电/YBa2Cu3O7-x (YBCO) 异质结构的制备方法，制备了Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/YBCO、Ba0.09Sr0.91TiO3/YBCO和Nb:SrTiO3/YBCO等多种超导/铁电异质结构，并借助感光溶胶-凝胶法对这些异质结构进行了微细加工。XRD和TEM测试表明，上述异质结构具有明显的界面共格特性。在此基础上研究了铁电极化对YBCO超导电学和磁学性能的影响，以及YBCO超导特性对铁电薄膜电学性能的影响。发现Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 极化对YBCO 的电阻和磁滞回线具有明显的调制作用，随着Pb(Zr0.52Ti0.48)O3极化增强，超导转变温度附近YBCO的电阻增大，同时观察到超导态下YBCO的磁化强度降低。.对SrTiO3/YBCO的J-V曲线和Nb:SrTiO3/YBCO的光生电压研究发现，当YBCO发生超导转变时，SrTiO3/YBCO的开启电压以及Nb:SrTiO3/YBCO的开路电压均发生跳变，其变化值和YBCO打开的超导能隙相关。对Ba0.09Sr0.91TiO3/YBCO的介电可调研究发现，以YBCO为衬底和底电极，在其上制备的Ba0.09Sr0.91TiO3薄膜的调谐率显著增大，表明以超导材料作为电极有可能制备出调谐性能更加优异的调谐器件。研究还发现，在Ba0.09Sr0.91TiO3点阵上制备YBCO薄膜，可以在YBCO中引入纳米级晶体缺陷，从而起到强烈的磁通钉扎作用，明显提高YBCO的临界电流密度，这一研究为超导磁通钉扎提供了一种新的、简单有效的方法。.进一步还研究了YBCO/介质层/YBCO三层薄膜的制备工艺，分别制备了YBCO/LaAlO3/YBCO、 YBCO/Y2O3/YBCO、YBCO/SrTiO3/YBCO和YBCO/LaNiO3/YBCO三层超导异质结构，在这些结构中，上下层YBCO均具有良好的超导电性。发现不同中间介质层以及介质层不同厚度的情况下，三层结构的I-V曲线表现出不同的特性。当介质层厚度小于某一数值时，三层结构中均观察到遂穿电流的存在，且不同介质层的遂穿电流表现出不同的导电机制。