铊系高温超导薄膜生长及其微波非线性研究

TlBa2Ca2Cu3O9 (Tl-1223)超导体的单一Tl-O层晶体结构，使其具有很强的磁通钉扎，在磁场下超导性能可以与YBCO(超导转变温度88K)材料相媲美，而且它具有更高的超导转变温度（110K），因此在强电领域和弱电领域中，都具有广阔的应用前景。.本项目对非元素掺杂Tl-1223薄膜的生长制备进行研究，运用磁控溅射和二次后退火法，将Tl-1212相作为中间相，来得到高相纯度的Tl-1223超导薄膜。对影响Tl-1223超导薄膜生长的热处理温度、时间等因素进行系统深入的研究，并在上述基础上研制出实用大面积Tl-1223超导薄膜。.本项目另一任务是针对高温超导薄膜微波应用中出现的非线性效应进行研究，为提高超导薄膜及器件的微波性能，对不同晶体结构Tl系高温超导薄膜器件的微波功率承载能力和三阶互调进行研究比较。此研究对探索高温超导薄膜的微波非线性机理具有现实意义。

本项目解决了非掺杂Tl-1223高温超导（HTS）薄膜制备过程中的纯度问题。研究首先利用磁控溅射和后退火的方法，先制备Tl-1212中间相薄膜，再第二次高温退火转变为Tl-1223超导薄膜，实现了非掺杂Tl-1223薄膜的制备。在此基础上，我们又首次提出了利用Tl-2223相中间薄膜来转化Tl-1223超导薄膜。Tl-2223相的出现会抑制Tl-1212相产生，同时高温下Tl-2223相很容易分解为Tl-1223相。利用该方法，我们分别在氧气和氩气条件下成功制备了超导特性较好的Tl-1223薄膜。在氧气条件下得到的Tl-1223薄膜，其临界转变温度Tc为110K，临界电流密度Jc（77K，0T）为1.5MA/cm2。在氩气条件下得到的Tl-1223薄膜，其Tc为107-108K， Jc（77K，0T） 大于3MA/cm2。并且在氩气条件下完成了面积为一英寸LaAlO3衬底上Tl-1223薄膜的制备。项目利用纳米颗粒修饰衬底提高Tl-2212薄膜的临界电流密度。在LaAlO3衬底上交流磁控溅射生长CeO2纳米颗粒或Ce和Ag纳米颗粒，通过这些纳米颗粒在薄膜和衬底表面形成的晶格缺陷，提升薄膜磁通钉扎强度。以100nm厚Tl-2212薄膜为例， 0.5T， 77K时，带有CeO2纳米颗粒的Tl-2212薄膜Jc高出普通Tl-2212超导薄膜10倍。为了提高Tl-2212超导薄膜的微波领域应用，我们系统研究了Tl-2212超导薄膜的结晶和超导特性随厚度变化的规律。总结出在氩气条件下制备厚度从0.1µm至2.8µm的Tl-2212薄膜生长规律，1.8µm厚Tl-2212超导薄膜Jc仍可以超过1MA/cm2。该研究有关厚膜的结论也为大功率超导滤波器制备过程中Tl-2212超导薄膜的选取打下了研究基础。本项目还完成在Tl-2212超导薄膜上制作工作在C波段的三阶切比雪夫滤波器带通滤波器并进行微波测试，滤波器中心频率4GHz，带宽为80MHz。经测试该滤波器在93K时基本可以满足一般工程需要，90K时处于稳定状态。采用相同的工艺，我们在Tl-2223超导薄膜上也完成了高温超导滤波器的制作。虽然在100K以上温区滤波器的S21曲线较好，受刻蚀仪器精度的影响，滤波器的插入损耗较大，实验仍然需要进一步完善。我们还提出了两种新型的准分形结构谐振器结构，设计出工作性能优越的高温超导多工器