本发明属于超导领域,具体涉及一种非易失性超导电性调控方法和应用。
背景技术:
超导材料有很多奇特的性质,基于这些特性的超导技术的应用具有诸多突出的优点,将导致人类社会的重大变革。但一般超导材料的获得需要经过复杂的样品合成过程,有的还需要多步的热处理过程。这些都不利于超导材料与其它材料集成,形成具备复合功能的新型电子学器件。特别是铜氧化物和铁基高温超导体,其成相温度,退火温度一般都在300摄氏度以上。在这样的温度下半导体器件的将会受到不可逆的损伤。而最近发展的离子液体场调控方法,在室温甚至更低的温度环境下,通过外加电场调节材料中的载流子浓度,可以将一些材料由不超导调节成为超导体。但是这种方法中外电场一旦撤去,材料就恢复到初始状态。在一些应用的场景下,这种方法是不实用的。
技术实现要素:
因此,本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷,提供一种非易失性超导电性调控方法和应用。
为实现上述目的,本发明的第一方面提供了一种非易失性超导电性调控方法,通过偏置电流调控使待调控样品获得超导电性,且获得的超导电性在撤去外加偏置电压后仍然可以保持。
根据本发明第一方面的方法,其中,所述方法包括:在待调控样品上通过电流源或电压源施加电流脉冲,其中,施加脉冲时监测样品的电阻,当样品电阻未达到临界阈值时,增大脉冲的强度,直至超过阈值,记作一次脉冲过程。
优选地,所述脉冲次数为5~40次,优选为10~20次。
根据本发明第一方面的方法,其中,所述方法包括:以调控电极为正极,待调控样品为负极,通过离子液体连接调控电极和调控样品,使用调控电源对调控样品和调控电极施加偏压调控,其中,所述调控温度不低于离子液体的固化温度。
优选地,所述离子液体选自以下一种或多种:n-甲氧基乙基-n-甲基二乙基铵双三氟甲磺酰亚胺盐、n-甲基,丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、n-甲基,丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双氟磺酰亚胺盐;优选为n-甲氧基乙基-n-甲基二乙基铵双三氟甲磺酰亚胺盐。
根据本发明第一方面的方法,其中,所述待调控样品材料选自以下一种或多种:铝、铌、镧铈铜氧、镨铜氧;最优选为镧铈铜氧和镨铜氧。
根据本发明第一方面的方法,其中,所述偏置电压为2.5~5v,优选为3~4v;和/或
所述偏置时间为5~100分钟,优选为10~30分钟。
本发明的第二方面提供了一种超导材料,所述超导材料按照第一方面所述的调控方法而制得。
本发明的第三方面提供了一种超导电子学器件,所述超导电子学器件包括第二方面所述的超导材料。
本发明的第三方面提供了第一方面所述的调控方法在制备超导量子干涉仪和/或超导与半导体集成电路中的应用。
本发明适用于以下领域:超导电子学器件制备,超导材料与不耐高温材料的集成等领域。例如:1)超导量子干涉仪的制备及调节2)超导与半导体集成电路的加工等等。
本发明的方法可以具有但不限于以下有益效果:
本发明通过偏置电流方法修补材料中的关键结构单元,在不需要加热的情况下使材料获得超导电性,并且这种方法获得的超导电性在撤去外加偏置电压后仍然可以保持,具有非易失的特征。而且通过改变偏压大小和偏置时间可以连续地调控材料的超导特性。
附图说明
以下,结合附图来详细说明本发明的实施方案,其中:
图1a示出了本发明实施例1的调控方法;图1b示出了实施例1铜氧化物镧铈铜氧室温电阻随电脉冲过程变化的曲线;图1c示出了实施例1对应样品经历不同的脉冲过程后,在低温区域的电阻-温度曲线。
图2示出了本发明实施例2的调控方法。
图3示出了本发明实施例2的镨铜氧样品(调控前低温为绝缘体行为),经过250k温度下负偏压调控后,撤去负偏压测得的电阻-温度曲线。
图4示出了本发明实施例3的非超导谱铜氧样品经过负偏压调控后,再改变偏压测得的电阻-温度曲线,图中箭头指向为偏压施加顺序。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明,但是,应当理解为,这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用,而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的,但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚,在上下文中,如果未特别说明,本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
以下实施例中使用的试剂和仪器如下:铜氧化物试样:镧铈铜氧和镨铜氧样品,自制;
自制镧铈铜氧和镨铜氧可采用脉冲激光沉积或磁控溅射,化学辅助高分子沉积等生长薄膜的方法制备,所需材料如表1所示;
表1高分子辅助沉积法制备镨铜氧薄膜所需的材料
制膜步骤:
1.溶液的配制:电耦合等离子体原子发射光谱(icp)分别测定pr溶液和cu溶液的离子浓度。按照化学计量比量取pr和cu溶液混合搅拌5h以上,然后静止12h,这样便可得到所需的pr2cuo4±δ前驱溶液。
2.采用旋涂法涂膜,低转速的范围一般设置为400rpm/10s,目的是让溶液在基片上均匀地平铺开;高转速的范围一般设置为7000rpm/40s,甩开多余的溶液制备均匀平整的前驱薄膜。
3.薄膜的烧结:烧结的温度和气压一般设为固定值:850℃、1h。
4.薄膜退火:退火温度设置在400℃,时间10min。
脉冲激光沉积和磁控溅射制备薄膜均采用标准步骤。
离子液体:n-甲氧基乙基-n-甲基二乙基铵双三氟甲磺酰亚胺盐、n-甲基,丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、n-甲基,丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双氟磺酰亚胺盐,购自上海成捷化学有限公司;
电压源表:吉时利2400源表或其它具备类似功能的电压源表;
测试仪器:综合物性测量系统(ppms,quantumdesign),自制低温输运测试平台或具有类似功能的测试平台均可。
实施例1
本实施例用于说明本发明的非易失性超导电性获得及调控方法。
如图1所示,图1a示出了调控方法:在样品上通过电流源或电压源施加电流脉冲,施加脉冲时监测样品的电阻,当样品电阻未达到临界阈值时,增大脉冲的强度,直至超过阈值,记作一次脉冲过程。
图1b示出了铜氧化物镧铈铜氧室温电阻随电脉冲过程变化的曲线,图1c示出了对应样品经历不同的脉冲过程后,在低温区域的电阻-温度曲线。其中,奇数标号的电阻-温度曲线为对应于正向脉冲后的实验数据;偶数标号的电阻-温度曲线对应着反向脉冲后的实验数据,标号显示为第几次脉冲过程,从实验数据可以看到正向反向过程都可以显著的调制样品的超导特性,随着脉冲数的增加,超导性能均下降。因样品和测试系统无法做到正反向脉冲时完全对称,故而奇数和偶数标号脉冲过程的结果不完全重合。。显然脉冲过程不同,样品最终表现出来的超导特性不同。
实施例2
本实施例用于说明本发明的非易失性超导电性获得及调控方法。
如图2所示,调控方法基本元素包括调控电源,待调控样品,离子液体,调控铂电极。以铂电极为正极,样品为负极。其中离子液体选自以下一种或多种:n-甲氧基乙基-n-甲基二乙基铵双三氟甲磺酰亚胺盐、n-甲基,丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、n-甲基,丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双氟磺酰亚胺盐,原位调控的电输运性质测量是在ppms中进行,以n-甲氧基乙基-n-甲基二乙基铵双三氟甲磺酰亚胺盐为例,其调控效果数据见图3,采用其他离子液体也能达到与n-甲氧基乙基-n-甲基二乙基铵双三氟甲磺酰亚胺盐的效果。
图3示出了镨铜氧样品(调控前低温为绝缘体行为)的调控结果,经过负偏压调控后,撤去负偏压测得的电阻-温度曲线,样品展现出超导性。具体步骤:首先按照图2连接调控电路,测试原始样品的电阻-温度曲线;然后将温度维持在250k,施加调控偏压,偏压的步长是-1v,测量每个偏压下电阻-温度曲线;最后当完成-4v的电阻-温度测量时撤去偏压,测试0v状态样品的电阻-温度曲线。偏置时间30分钟。
实施例3
本实施例用于说明本发明的非易失性超导电性获得及调控方法。
图4为非超导镨铜氧样品,经过-4v偏压调控后,改变偏压大小调控材料的超导电性。图中箭头所指方向为施加偏压的顺序。实验具体步骤和所用仪器与实施例2相同。
尽管本发明已进行了一定程度的描述,明显地,在不脱离本发明的精神和范围的条件下,可进行各个条件的适当变化。可以理解,本发明不限于所述实施方案,而归于权利要求的范围,其包括所述每个因素的等同替换。
1.一种非易失性超导电性调控方法,其特征在于,通过偏置电流调控使待调控样品获得超导电性,且获得的超导电性在撤去外加偏置电压后仍然可以保持。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法包括:在待调控样品上通过电流源或电压源施加电流脉冲,其中,施加脉冲时监测样品的电阻,当样品电阻未达到临界阈值时,增大脉冲的强度,直至超过阈值,记作一次脉冲过程。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述脉冲次数为5~40次,优选为10~20次。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法包括:以调控电极为正极,待调控样品为负极,通过离子液体连接调控电极和调控样品,使用调控电源对调控样品和调控电极施加偏压调控,其中,所述调控温度不低于离子液体的固化温度。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述离子液体选自以下一种或多种:n-甲氧基乙基-n-甲基二乙基铵双三氟甲磺酰亚胺盐、n-甲基,丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、n-甲基,丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双氟磺酰亚胺盐;优选为n-甲氧基乙基-n-甲基二乙基铵双三氟甲磺酰亚胺盐。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其特征在于,所述待调控样品材料选自以下一种或多种:铝、铌、镧铈铜氧、镨铜氧;
最优选为镧铈铜氧和镨铜氧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法,其特征在于,所述偏置电压为2.5~5.0v,优选为3.0~4.0v;和/或
所述偏置时间为5~100分钟,优选为10~30分钟。
8.一种超导材料,其特征在于,所述超导材料按照权利要求1至7中任一项所述的调控方法而制得。
9.一种超导电子学器件,其特征在于,所述超导电子学器件包括根据权利要求8所述的超导材料。
10.按照权利要求1至7中任一项所述的调控方法在制备超导量子干涉仪和/或超导与半导体集成电路中的应用。
技术总结