氮化妮NbN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和基本特性

1、氮化妮NbN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)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(xué)、化學(xué)和機(jī)械性能而被人們所關(guān)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(shí)還是很好的超導(dǎo)村料.ft有較商的臨界電流密度.較高的臨界超導(dǎo)轉(zhuǎn)變爲(wèi)度,在超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域育廣闊的應(yīng)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(fù)雜的相結(jié)構(gòu).很據(jù)Nb和N化學(xué)計(jì)雖比不同形成的NbN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)也有所不同NbN轉(zhuǎn)膜的晶體結(jié)構(gòu)非常復(fù)朵，既仃而心立方晶體結(jié)構(gòu)，乂冇四方晶休結(jié)構(gòu)，還右六方晶體結(jié)構(gòu)，不同晶體結(jié)構(gòu)的NbZ薄膜的超導(dǎo)性能也

2、不相同。研充表明具疔NaCI型而心工方晶體結(jié)構(gòu)的ANbN的超導(dǎo)轉(zhuǎn)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(duì)象。圖1.4給出NbN的晶體結(jié)構(gòu)。NNb圖1.4NbN的晶體結(jié)構(gòu)不總圖由圖1.4可以看出：NbN具何NaCI型立方晶體結(jié)構(gòu)，毎個(gè)Nb原子都被六個(gè)等距離的N原子包闔，毎個(gè)N原子也彼六個(gè)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(jié)構(gòu)和基本特性TiN屈r過渡金屬氮化物.具臺(tái)高熔點(diǎn)、高硬度、耐高溫、耐酸堿腐蝕、咐磨損以及良好的導(dǎo)熱性和優(yōu)良的光學(xué)性能等-系列優(yōu)點(diǎn)，TIN薄膜既可以用制備切削工具機(jī)械零部件的被覆材料,也可以應(yīng)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(jié)構(gòu)和NbN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)樣，同屬J-NaCI型面心立方晶體結(jié)構(gòu)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(nèi)變化而不引起TiN的晶體結(jié)構(gòu)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(gè)非定比相，確切的來講應(yīng)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(diǎn)為3233K.理論密度為Ti

4、N的熔點(diǎn)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(qiáng)度為431MPao空溫下，TiN的線膨脹系數(shù)為9.35xl(rKS熱導(dǎo)率為1925W(mK)*,具有較好的導(dǎo)熱性。一般情況下，TiN與水蒸氣、鹽酸、硫酸等均不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，任強(qiáng)堿洛液中，TiN會(huì)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(dǎo)特性心。后來的研宛者對(duì)NZN體系的超導(dǎo)性能進(jìn)行了廣泛的研宛,研究發(fā)現(xiàn):Nb

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

6、B)和超導(dǎo)單光子探測器(SSPD),可以作為超導(dǎo)電子器件和電路的電極材料II,因此許多研丸孝對(duì)NbN薄膜的制備方法和性能進(jìn)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(chǔ)就是幾納米厚的NbN薄膜，為了提髙這些應(yīng)用中NbN薄膜的超導(dǎo)性能，許務(wù)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為9K,TEM和EELS分析的結(jié)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(huì)互擴(kuò)散形成一層非晶界面層。NbN薄膜的表而會(huì)形成一層表而氧化層，界而層和表而氧化層的存在嚴(yán)重抑制了NbN薄膜的超導(dǎo)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(dá)19%,所以任Si基片上制備的NbN薄膜很堆實(shí)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度就達(dá)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度由7.3K加到了I0.5K。超導(dǎo)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了NbN溥膜

10、的外延生長，厚度為90nm的NbN薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)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(dāng)MgO厚度小J-4nrn時(shí)呈現(xiàn)非晶態(tài)，生長的NbN薄膜也是非晶態(tài)。當(dāng)MgO厚度大F4nm時(shí)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度就達(dá)到了14.511呦。0Dochev等人通過化學(xué)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為11.8K125在過渡層上生長的NbN薄膜的超導(dǎo)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(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜.所以不同研究者的研究結(jié)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(yīng)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(chǎn)生的止離子經(jīng)過陰極加速發(fā)擊靶材表而，通過動(dòng)雖轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)，延長了電子運(yùn)動(dòng)的路徑提髙了電子和反應(yīng)粒子的撞擊兒率，從而達(dá)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(jié)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(zhì)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(xué)

13、氣相沉枳的方法在128O-C條件卜制備的，為了提髙3C-S1C結(jié)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為9.5K,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度為1.8K。在3CSiC上生長的4nm厚的NbN薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度就達(dá)到了ll.Sk,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度只何1.1K,在H前相同厚度的報(bào)道中處于領(lǐng)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(shí)間內(nèi)使靶材的表tfri產(chǎn)生很髙的隘度.并且使具氣化產(chǎn)生等離子體，其中包括中性原子、離子、原子

14、團(tuán)等以一定的動(dòng)能到達(dá)襯底，從而實(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)的樣品進(jìn)行了對(duì)比測試.實(shí)驗(yàn)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(qiáng)為6()亳托，然后對(duì)生長的NbN薄膜進(jìn)行了晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的分析，結(jié)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度能夠達(dá)到16.6K,臨界電流密度達(dá)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(dǎo)轉(zhuǎn)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(dǎo)性能各不相同，基片的選擇對(duì)NbN薄膜的質(zhì)雖尤為重要.口前，超導(dǎo)氮化撫（NbN）溥膜是制備高性能機(jī)光子超導(dǎo)器件（SSPD）和超導(dǎo)熱電子測輻射熱儀（HEB）的首選超導(dǎo)材料”絢，受到廣泛的研究和關(guān)注.NbN具右較高的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)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?yàn)镸gO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(kuò)敢的彫響卩9.通常，采用磁控濺射的技術(shù)在和NbN晶恪常數(shù)相近的機(jī)晶基片（如MgO）上生長出高質(zhì)量的Nb

16、N薄膜。但是，MgO基片在THz頻段損耗較大，同時(shí)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(shù)成熟：容易實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)探測器件與半導(dǎo)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(dǎo)致硅基NbN薄膜很難實(shí)現(xiàn)外延生長，使其超導(dǎo)性能嚴(yán)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(shè)想：一方面，兩者均為面心立方結(jié)構(gòu)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(gè)元素在制備過程中即使擴(kuò)散到NbN薄膜，不僅不會(huì)損害反而臺(tái)利于提高其超導(dǎo)性能。TiN和NbN的晶休結(jié)構(gòu)類似，都是而心立方