高温超导薄膜的微波表面阻抗测量

２００６年５月中央民族大学学报（自然科学版）Ｍａｙ，２００｜６第１５卷第２期Ｊｏｕｍａｌ０ｆｔｈｅＣＵＮ（ＮａｔｕｒａｌｓｃｉｅｎｃｅｓＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖ０１．１５Ｎｏ．２

高温超导薄膜的微波表面阻抗测量

张琛，史力斌，王云飞，王东，柯于洋，张国华

（北京科技大学物理系，北京１０００８３）

摘要：本文介绍了用高温超导薄膜ＹＢａ２ｃｕ３０７（ＹＢｃ０），Ｉ丑Ａ１０３（ＬＡ０）和１１２Ｂａ２ｃａｃｕ２０。。（，Ｉ’Ｂｃｃ０），ＬＡ０制作

共面微带谐振器的方法及进行微波表面阻抗测量的原理和相关技术．实验结果表明：温度较低时（对ＹＢｃ０，

ＬＡ０，Ｔ＜７０Ｋ；对，Ｉ＇ＢＣＣ０／ＬＡ０，Ｔ＜８０Ｋ），薄膜表面电阻随温度没有显著的变化．７ＧＨｚ频率下ＴＢｃｃ０，ＬＡ０薄膜在

７７Ｋ和９４Ｋ时的微波表面电阻值分别为１２０舯和２５０ｍ；同频率下ＹＢｃ０，ＬＡＯ薄膜在４９Ｋ和７７Ｋ时的微波表

面电阻值分别为３０９ｍ和５２０∞．

关键词：高温超导薄膜；共面谐振器；Ｓｏｎｎｅｔ软件；微波表面阻抗

中图分类号：０５１１：０５２２文献标识码：Ａ文章编号：１００５—８０３６（２００６）０２一０１０ｌ一０６

１前言

平面传输线是微波器件的基础，微波共面传输线是平面传输线中最简单的一种，通常用于谐振器元件里平面芯片的连接．用高温超导（Ｈ佟）薄膜取代传统金属薄膜（如金膜）制作微波传输线和谐振器能够大大地降低损耗，并提高谐振器的Ｑ值．

目前，已有许多利用ＹＢａ２ｃｕ，Ｏ，（ＹＢＣＯ）薄膜共面谐振器进行其微波特性研究的报导，但有关噩：Ｂａ２ｃａＣｕ：０。。（ＴＢｃｃＯ）薄膜共面谐振器的实验还十分有限．本文将提供用共面谐振器方法对ＹＢｃＯ和ＴＢｃｃＯ薄膜进行微波测量的实验数据，并由此估算两种薄膜的微波表面电阻的绝对值．

２实验

２．１共面谐振器的仿真设计

本次实验所用薄膜是在【ａＡｌＯ，（ＬＡ０）衬底上生长的ＹＢｃＯ和ＴＢｃｃ０薄膜．ＹＢｃ０膜厚７００ｎｍ，ＹＢｃ０／ＬＡＯ体积为１０×１０×０．５ｍｍ３；ＴＢｃｃＯ膜厚４３０ｎｍ，ＴＢｃｃＯ／ＬＡＯ体积为１０×１０×０．６ｍｍ３．微波测量所用的共面谐振器由ｓＯＮＮＥＴ软件设计，其结构如图ｌ（ａ）所示．用软件对谐振器进行仿真计算得到设计的共面谐振器的ｓ２１图形如图ｌ（ｂ）所示，同时还可获取谐振器基模的谐振频率．厶为６．９９ＧＨｚ，７７Ｋ时谐振器的有载品质因数Ｑ，，值为３０００．仿真计算所用的薄膜衬底介质的介电常数￡，为２３．６，损耗角ｔａｎ８的数值为６×１０～．

２．２ＨＴＳ薄膜共面谐振器的制作

（１）将设计好的谐振器图形用Ｌ—ｅｄｉｔ软件转换成ＣＩＦ图形文件，加工制作成光刻模板．

收稿日期：２００５一１２．２０

作者简介：张琛（１９８０一），女（汉族），河南省人，北京科技大学物理学硕士研究生，研究方向为高温超导体薄膜的微波特性．　

１０２中央民族大学学报（自然科学版）第１５卷

慧阏

图１

Ｆｉｇ．１（ａ）用Ｓｏｎｎｅｔ软件设计的共面谐振器图形；【ｂ）仿真计算得出的该共面谐振器的Ｓ２１图形ｏｆｔｈｅ（ａ）Ｔｈ８ｇｒａｐｈｉｃｃ叩ｌａｎａｒｒｅｓｏｎａｔｏｒｄｅｓｉｇＩｌｅｄｂｙｓｏｎｎｅｔｓｏｆｔｗａｒｅ；（ｂ）ＥｍＩｌｌａｔｉｏｎａｌｓ２１ｇｒａｐｈｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｆｌｅｄｃｏｐｌａｎａｒｒｅｓｏｎａｔｏｒ

（２）把ＹＢｃＯ和ＴＢｃｃＯ薄膜加工成共面谐振器要经过四个主要步骤：光刻、粒子束刻蚀、切割和去金．

光刻的具体步骤为：首先用匀胶机在超导薄膜表面甩上一层均匀的光刻胶，本文所述实验用的光刻胶为碱性光刻胶；其次在加热台上对薄膜进行烘烤，以使光刻胶固化；接下来将烘好的晶片在光刻模板下用ＭＡ６紫外曝光机进行曝光，曝光时间５０秒；然后把曝光完毕的晶片放人显影液进行显影；最后用酒精、去离子水清洗．整个操作过程全部在微加工实验室的百级超净间的暗室中进行．

光刻完毕后用离子束刻蚀机对晶片进行刻蚀，离子束轰击时间为３８分钟．刻蚀后，用丙酮、去离子水对晶片进行清洗，并贴蓝膜保护．此时，薄膜上已形成共面谐振器的图形，用切割机将刻蚀完成的谐振器从晶片上切下来，再用丙酮、去离子水进行清洗．装盒测量前，要用光刻胶对谐振器的接头进行保护，再用离子束刻蚀机将薄膜表面的金膜刻蚀掉．然后对谐振器进行清洗．

图２所示即为已加工完成的Ｈｒｌｌｓ薄膜共面谐振器．

图２共面谐振器结构示意图（ｔ为薄膜厚度，ｄ为衬底厚度，中心线带宽ｗ＝２００ｐｍ，薄膜与接地板间距ｓ＝１８０｝一

中心微带长ｌｒ＝６?ｎｍ，带与端口间距ｌｇ＝０．５ｍｍ．）

Ｆ培．２ＴｈｅｓｔⅢｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏｐｌａｎａｒｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ｔ：ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍ；ｄ：ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅ；

ｏｆｔｈｅｗ：ｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｓｔｒｉｐ；ｓ：ｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎ

ｌｇ：ｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｓｔｒｉｐａｎｄｔｈｅｇｒｏｕｎｄ；ｌｒ：ｌｅｎ殍ｈｃｅｎｔｍｌｓｔｒｉｐ；ｃｅｎｔｄＩｓｔｒｉｐａｎｄｔ１１ｅｅｎｄ）

第２期张琛等：高温超导薄膜的微波表面阻抗测量１０３２．３ＨＴＳ薄膜共面谐振器的安装

测量用的谐振器由镀金的黄铜盒子，一对Ｋ接头，一对Ｂｅａｄ，一对靴子及Ｈ佟薄膜共面谐振器组成，其结构如图３所示．

图３安装在盒内的共面谐振器（侧视图）

Ｆｉｇ３ｎｅｃｏｐｌａｎａｒ嘲邮ａｔｏｒｍｏｕｎｔｅｄｉｎ￡ｈｅｂｏｘ（ｓｊｄｅ“ｅｗ）

装配时，首先将Ｂｅａｄ和Ｋ接头装在盒子里，然后将靴子套在Ｂｅａｄ头上，用海绵和垫片将ＨＴｓ薄膜共面谐振器固定在盒子里，用银胶将谐振器的接地面和盒子壁粘在一起，再用银胶将ＨｒＩ’Ｓ薄膜共面谐振器的接头与靴子连接起来．

２．４微波特性测量

对ＨＴｓ薄膜共面谐振器的微波特性测量是在中科院物理所高温超导实验室用Ａｇｉｌｅｎｔ８５１０矢量网络分析仪进行的．

测量时输入功率为Ｐ。…。＝ｏｄＢｍ．对ＹＢｃｏ／ＬＡＯ薄膜共面谐振器，温度测量范围在１５Ｋ～９０Ｋ之间，对ＴＢＣＣＯ／ＬＡＯ谐振器测量温度为１５Ｋ～１１０Ｋ．

图４和图５分别给出了实验所得ＹＢｃ０／ＬＡ０和ＴＢｃｃ０／ＩＡＯ薄膜共面谐振器的谐振频率和有载品质因数随温度变化的曲线．从图中可明显看出：在较低温度时，样品的有载品质因数随温度变化很小，在转变温度附近有载品质因数随温度的变化非常剧烈．

图４ＹＢｃ０／ＬＡＯ与ＴＢＣｃ０／ＬＡ０共面谐振器的共振频率ｆ０随

温度变化曲线（Ｐ输人＝０ｄＢｍ）

Ｆｉｇ．４ＴｈｅｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒＹＢＣ０，ＬＡ０

ａｎｄＴＢＣＣ０／ＬＡ０ｃｏｐｌａｎａｒ

ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ（Ｐｉｎｐｕｔ＝０ｄＢｍ）　

中央民族大学学报（自然科学版）第１５卷

图５ＹＢＣ０，ＬＡＯ与ＴＢｃｃＯ，ＬＡ０共面谐振器的有载品质因数

ＱＬ随温度变化曲线（０ｄＢｍ、７．ＯＧＨｚ）

Ｆｉｇ．５ＴｈｅｃｕｒｖｅｓｏｆＱＬｖｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒＹＢｃＯ，ＬＡ０ａｎｄ

ＴＢｃｃ０，ＬＡＯｃｏｐｌａｎａｒｒｅ８０ｎａｔｏｒｓ（ＯｄＢｍ、７．ＯＧＨｚ）

３结果与分析

在超导共面传输线中，单位长度的总电感￡是几何电感∥和动力学电感∥之和，即：

￡＝∥＋￡‘．几何电感与传输线的几何形状有关，动力学电感由超导传输线的载流子输运特性决定，它取决于通过超导体表面的电流分布．在衬底无穷厚，接地平面无限大和薄导体的理想条件下，传输线单位长度的几何电感可写为¨４Ｉ：

?ｎ竺！竺业二型２４Ｋ（竺ｌ

距，而８＝埘＋２ｓ．传输线单位长度的动力学电感可写为：∥＝———二＿—÷兰二一（１）式中岸。是真空磁导率，Ｋ是第一类完全椭圆积分，加是中心微带宽度，ｓ是中心微带和接地平板的间扎若淼

（２）

ｆ是Ｈ，Ｉ’ｓ薄膜的厚度，玎。是Ｈ髑薄膜的正常态电导率，Ａ。是超导材料的磁场穿透深度，叫是微波场的角频率＾７是一个与埘心有关的函数?在传输线谐振器理论中。皆振频率为兀２ｉ专瓦＿ｓ是谐振器导波波长（Ａ。＝２ｚ，ｚ是共面谐振器中心线的长度），ｃ是传输线的电容．假设ｃ随温度没有显著变化，则可得方程：揣＝√篇＾（孔）一～￡ｓ＋￡‘（ｒ）㈥、。７死是一个实验参考温度．因此，只要实验测得共面谐振器谐振频率＾随温度变化的曲线，我们就可以利用方程（３）通过拟合实验数据蒡器而得到Ａ。．Ａ。确定后，样品的表面电阻Ｒ和表面电抗置即可由下式推出‘“：

耻券，置＝等　（４）

第２期张琛等：高温超导薄膜的微波表面阻抗测量

Ｑ。是谐振器的无载品质因数，它可由有载品质因数Ｑ。和插入损耗（ＩＬ）通过公式

Ｑ。＝Ｑ。，（１—１０删２０）

计算得出．

，，个、（５）

图６和图７分别给出了对实验测出的字丢＊数据进行拟合计算所得的ＹＢｃｏ和ＴＢｃｃｏ薄膜的微波．，ｏ＼１ｏ，

表面阻抗随温度变化曲线．图６显示ＹＢＣＯ在Ｔ＜７０Ｋ的温度范围内及ＴＢＣｃ０在Ｔ＜８０Ｋ时，薄膜表面电阻随温度并没有显著的变化．由图可得到７ＧＨｚ频率下两种膜在不同温度时的微波表面电阻，对ＴＢｃｃＯ其值为：１２０ｐＱ（７７Ｋ）和２５０弘Ｑ（９４Ｋ）；对ＹＢｃＯ为３０９衅（４９Ｋ）和５２０弘Ｑ（７７Ｋ）．和文献中的实验结果ｂ。３相对比，我们的实验数据略大，这可能是因为样品质量有所不同引起的．

　图６７ＧＨｚ频率时ＴＢｃｃ０，ＬＡ０和ＹＢｃＯ，ＬＡ０共面谐振器的微波表面电阻Ｒ，随温度变化曲线Ｆｉｇ．６ＴｈｅｃｕｒｖｅｓｏｆＲ。ｖｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒＹＢＣＯ，ＬＡ０８ｎｄＴＢＣＣ０，ＬＡＯｃｏｐｌａＩｌａｒｒ啪眦ｔｏ玛（７．ＯＧＨｚ）图７７ＧＨｚ频率时ＴＢｃｃＯ，ＬＡ０和ＹＢｃＯ，ＬＡ０共面谐振器的微波表面电抗置随温度变化曲线Ｆｉｇ．７Ｔｈｅｃｕｒｖｅｓｏｆ置ｖｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒＹＢＣＯ，ＬＡＯ蛐ｄＴＢＣＣＯ，ＬＡ０ｃｏｐｌａｎａｒｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ（７．ＯＧＨｚ）