氮化妮NbN薄膜的晶體結構和基本特性

1、氮化妮NbN薄膜的晶體結構和基本特性氮化斃(NbN)咼過渡金屬氮化物.由于其良好的電學、化學和機械性能而被人們所關注,NbN薄臓具有高饕度,高耐磨性，耐腐蝕性和良妹的熱穩(wěn)定性,NbN同時還是很好的超導村料.ft有較商的臨界電流密度.較高的臨界超導轉變爲度,在超導電子學領域育廣闊的應用前盤cL50025002CKtr-r匚，rEakldN,%am國13是Nb-N的帕圖卩山圖可以看出.NbNfS膜具有復雜的相結構.很據Nb和N化學計雖比不同形成的NbN薄膜的晶體結構也有所不同NbN轉膜的晶體結構非常復朵，既仃而心立方晶體結構，乂冇四方晶休結構，還右六方晶體結構，不同晶體結構的NbZ薄膜的超導性能也

2、不相同。研充表明具疔NaCI型而心工方晶體結構的ANbN的超導轉變溫度最高叫NbN的晶格常數(shù)為（）.439nm5-NbN是我們研究的主要對象。圖1.4給出NbN的晶體結構。NNb圖1.4NbN的晶體結構不總圖由圖1.4可以看出：NbN具何NaCI型立方晶體結構，毎個Nb原子都被六個等距離的N原子包闔，毎個N原子也彼六個等離的Nb原子包圉，為面心立方堆枳（fix）方式。1.3氮化鈦（TiN）薄膜的晶體結構和基本特性TiN屈r過渡金屬氮化物.具臺高熔點、高硬度、耐高溫、耐酸堿腐蝕、咐磨損以及良好的導熱性和優(yōu)良的光學性能等-系列優(yōu)點，TIN薄膜既可以用制備切削工具機械零部件的被覆材料,也可以應用F裝

3、飾行業(yè).還可以作為太陽能的選擇性透射膜.TiN溥膜的晶體結構和NbN薄膜的晶體結構樣，同屬J-NaCI型面心立方晶體結構圖1.4所示.只是11原子取代了Nb原子的位g.TiN薄膜晶格常數(shù)為0.4239nm,HN含址可以任一定范圍內變化而不引起TiN的晶體結構發(fā)生變化巴圖1.5是Ti-N的二元相圖卩叫TiN和NbN佯也是一個非定比相，確切的來講應該寫成TiN、的形式。Ti和N可以形成一系列的化合物，如：TiN、TiN?、TbN、Ti、N、TUN、Ti,N4xTi3N5.Ti5N6等山)圖1.5Ti-N相圖TiN粉末一般呈黃褐色，而TiN晶體則呈現(xiàn)出金黃色。TiN的熔點為3233K.理論密度為Ti

4、N的熔點比大箏數(shù)的過渡金屈氮化物的要高，而密度比大董數(shù)的過渡金屬氮化物的都要低.室溫下TiN的莫氏硬度為8-91，顯微硬度為21Gpa,2l彈性模雖:為436GPa,抗彎強度為431MPao空溫下，TiN的線膨脹系數(shù)為9.35xl(rKS熱導率為1925W(mK)*,具有較好的導熱性。一般情況下，TiN與水蒸氣、鹽酸、硫酸等均不發(fā)生化學反應，任強堿洛液中，TiN會分解放出NHzTiN具有很好的抗氧化性，在lOOOC左右才開始氧化。1.4NbN薄膜的研究現(xiàn)狀1941年Ashermann等人首先發(fā)現(xiàn)了NbN溥膜具何很好的超導特性心。后來的研宛者對NZN體系的超導性能進行了廣泛的研宛,研究發(fā)現(xiàn):Nb

5、N薄膜的超導特性要優(yōu)于NbN塊體材料.NbN薄膜的超導性質不僅僅取決于化學計量比的偏離程度,還和晶體結構有關。在NbN薄膜的各相中,具有NaC型的面心立方結構的5-NbN的超導轉變溫度最高(17.3K)冋，NbaN的超導轉變溫度卻只有8.6以叫Nb4N4xNb3N3.NbN、NbN、都具有超導性能,而NtxN6(六方)并沒有表現(xiàn)出趙導性能問。NbN薄膜由于其具冇較髙的趨導轉變溫度和臨界電流密度，并且利用反應磁控濺射的方法在常溫下就可以制備，NbN的超導持性便英廣泛的應用于低溫超導電子學領域，NbN薄膜在現(xiàn)代單光子探測技術和電子器件領域有著廣聞的應用前最.例如，可以制作超導熱電子測輻射熱計(HE

6、B)和超導單光子探測器(SSPD),可以作為超導電子器件和電路的電極材料II,因此許多研丸孝對NbN薄膜的制備方法和性能進行了大斌的研丸，研究發(fā)現(xiàn)：單晶的NbN薄膜制備的器件的性能耍優(yōu)F多晶NbN薄膜制備的器件四。HEB和SSPD探測器的基礎就是幾納米厚的NbN薄膜，為了提髙這些應用中NbN薄膜的超導性能，許務研究者選擇了不同的呈片來生長NbN薄膜，如：Si.SiO2,MgO,3C-S1C.AbOj23241.Kilin和RSchneider等人通過確控濺射的方法胃接在Si基片卜.825*C生長NhN薄膜,厚度為5nm的NbN薄膜的超導轉變溫度為9K,TEM和EELS分析的結果顯示：在NbN薄

7、膜制備過程中，在基片和NbN薄膜之間由于高溫會互擴散形成一層非晶界面層。NbN薄膜的表而會形成一層表而氧化層，界而層和表而氧化層的存在嚴重抑制了NbN薄膜的超導特性1旳,Si基片的晶格常數(shù)為O.543nm,而NbN薄膜的晶恪常數(shù)只仃0.439nm,兩者的晶恪失配度高達19%,所以任Si基片上制備的NbN薄膜很堆實現(xiàn)外延生長。LI前NbN薄膜一般生長在與JI晶格匹配的MgO(10()基片或AhO,()001)基片上，其中MgO(100)基片的晶格常數(shù)為2O5(00()1)基片的晶恪常數(shù)為O.475nnuShigehiloMiki和MikioFujiwara等人通過自流碗控濺射的方法任MgO(1(

8、X)基片上制備的4nm厚的NbN薄膜的超導轉變溫度就達到了12K,26,W.SLYSZ和M.GUZ1EWICZ等人在A12O3(0(X)1)上制備的6nm厚的NbN薄膜的超導轉變溫度達到了12.5K127。止是tlFMgO和AI2O3基片與NbN的晶恪失配度比較小,在其上而制備的NbN薄膜的超導性能比較好，所以研究者一般選用它們作為生長NbN薄膜的基片，很少有人在Si基片上直接制備NbN薄膜.為了提高Si基片上NbN溥膜的超導性能.研究音一般在基片與NbN薄膜Z何生怏一層與NbN晶俗匹配的過渡層。TalsuyaShiino和ShoichiShiba等人便用A1N作為生長NbN和NbTiN薄膜的

9、過渡層并且得到了很好的效果。A1N屬于纖鋅礦型六用晶系晶休結構，其中a=0.31Inmc=0.498nmAIN、NbN和NbTiN薄膜都是通過直流磁控濺射的方法制備的。AIN過渡層的引入使厚度為Snm的NbN薄膜的超導轉變溫度由7.3K加到了I0.5K。超導轉變溫度的提高來源fA1N薄膜的()01)表面和NbN薄膜(111)表面很好的晶格匹配U叫NbN(111)擇優(yōu)取向的“晶恪常數(shù)”為=%廠0.310泗，這與AIN的晶格常數(shù)a=0.311nm非常的接近，兩音的晶恪失配度只仔0.2%。MasayoshiTonouchi等人在Si基片上通過引入厚度為05nm的MgO作為過渡層的方法實現(xiàn)了NbN溥膜

10、的外延生長，厚度為90nm的NbN薄膜的超導轉變溫度達到了14.5KVTakashiIshiguro和KazuoMatsushima等人同樣在Si基片上使用MgO作為生長NbN薄膜的過渡層，當MgO厚度小J-4nrn時呈現(xiàn)非晶態(tài)，生長的NbN薄膜也是非晶態(tài)。當MgO厚度大F4nm時為多晶態(tài)，其上而的NbN薄膜是多晶外延生長，l()nm厚的MgO過渡層上生長的lOnmNbN薄膜的超導轉變溫度就達到了14.511呦。0Dochev等人通過化學氣相沉枳的方法在Si(100)基片上以3C-S1C為過渡層制備的5nm厚的NhN薄膜的超導轉變溫度為11.8K125在過渡層上生長的NbN薄膜的超導性能明顯要

11、優(yōu)直接生長的同厚度的NbN薄膜，所以研兜者一般選用這些與NbN薄膜晶恪常數(shù)村近的材料來作為生長NbN薄膜的過渡層，并且都取得了明顯的效果宙于NbN薄膜的晶體結構非常的復雜.所以不同研究者的研究結果也各不相同.1.5NbN薄膜和TiN薄膜的制備方法由于NbN和TiN同屈于過渡金屬氮化物，NbN薄膜和TiN薄膜的制備的方法也基本相同,它們的制備方法有很多種,主要有反應厳控濺射法(糾和脈沖激光沉積法132541不過這些制備方法孑右優(yōu)劣.下而簡氓介紹一下NbN溥膜和TiN薄膜的制備方法.1.幽控濺射法(MagnetronSputtering)磁控濺射制備薄膜的方法分為直流(DC)磁控濺肘法和射頻(RF

12、)磁控濺射法,我們采用直流磁控濺射的方法來制備TiN薄膜和NbN薄膜。在薄膜制備的過程中,輝光放電產生的止離子經過陰極加速發(fā)擊靶材表而，通過動雖轉移將中性粒子、離子二次電子等炭擊出把材形成羽輝，由于他場便得等離子體局域在把表而附近作搖擺式運動，延長了電子運動的路徑提髙了電子和反應粒子的撞擊兒率，從而達到髙速濺射的目的。羽輝中的各種粒子不斷的撞擊基片表面,通過成核結晶生成薄膜。磁控濺射法可以生長大而枳薄膜，并且生長的薄膜比較致密，生長的薄膜的質雖比較好孑方面的性能也比較優(yōu)斤.等人通過直流磁控濺肘的方法以3C-SiC為過渡層在Si(100)基片上成功制備的單晶NbN薄膜，其中3C-S1C是通過化學

13、氣相沉枳的方法在128O-C條件卜制備的，為了提髙3C-S1C結晶性能，3C-S1C過渡層的厚度控制為I微米，直接在Si呈片上生長的5nm厚的NbN薄膜的超導轉變溫度為9.5K,超導轉變寬度為1.8K。在3CSiC上生長的4nm厚的NbN薄膜的超導轉變溫度就達到了ll.Sk,超導轉變寬度只何1.1K,在H前相同厚度的報道中處于領先地位卩叫2.脈沖激光沉積PLD-PulsedLaserDeposition)脈沖激光沉枳法是一種真空物理沉積溥膜的方法，是將高功率脈沖激光聚焦J-把H的表rfri，激光束在短時間內使靶材的表tfri產生很髙的隘度.并且使具氣化產生等離子體，其中包括中性原子、離子、原子

14、團等以一定的動能到達襯底，從而實現(xiàn)薄膜的沉積.Randolph等人利用PLD的方法在Mg()基片和二氣化硅基片上相同條件下制備了NbN薄膜，并對實驗的樣品進行了對比測試.實驗過程中使用2和H2(10%)的混合氣休，基片溫度為6(X)*C,沉枳壓強為6()亳托，然后對生長的NbN薄膜進行了晶體結構和電學性能的分析，結果發(fā)現(xiàn)在MgO基片上生長的NbN薄膜呈現(xiàn)為單晶狀態(tài)，超導轉變溫度能夠達到16.6K,臨界電流密度達到Jc(4.2k)=7.1MA/cm在二氣化硅上生長的NbN薄膜呈現(xiàn)為多晶狀態(tài)，超導轉變溫度只h11.3K.臨界電流密度為Jc(4.2k)=1.8MA/cmW鐵由此可見相同的條件下不同基

15、片上生長的NbN薄膜的超導性能各不相同，基片的選擇對NbN薄膜的質雖尤為重要.口前，超導氮化撫（NbN）溥膜是制備高性能機光子超導器件（SSPD）和超導熱電子測輻射熱儀（HEB）的首選超導材料”絢，受到廣泛的研究和關注.NbN具右較高的超導臨界轉變溫度（T&16K）和臨界電流密度.在NbN薄膜的制備過程中，一股選用hlgO基片作為生長NbN薄膜的襯底.這是因為MgO基片與NbN薄膜的晶格失配度只（44%-6%而且Mg（）基片的熱穩(wěn)定性也比較好，這就可以便在較高的溫度下制備的NbN薄膜不受基片擴敢的彫響卩9.通常，采用磁控濺射的技術在和NbN晶恪常數(shù)相近的機晶基片（如MgO）上生長出高質量的Nb

16、N薄膜。但是，MgO基片在THz頻段損耗較大，同時傲納加工較困難.硅基NbN溥膜器件相比MgO基器件其主耍優(yōu)勢在：工作在THz頻段損耗極低：微納加工工藝技術成熟：容易實現(xiàn)超導探測器件與半導體器件的集成：成本較低.但是，tlfNbN與Si基片的晶恪失配度較大（19%）,導致硅基NbN薄膜很難實現(xiàn)外延生長，使其超導性能嚴覓下降本工作提岀使用氮化銃（TiN）作為Si和NbN的過渡層的設想：一方面，兩者均為面心立方結構晶恪常數(shù)相近，因此TiN過渡層何利于NbN的生長：另一方而，TiN中的Ti和N兩個元素在制備過程中即使擴散到NbN薄膜，不僅不會損害反而臺利于提高其超導性能。TiN和NbN的晶休結構類似，都是而心立方