阅读说明：本技术 一种磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器 (Magnetic doped superconducting thin film, preparation method thereof and superconducting transition edge detector ) 是由 高波 陈建国 吕越 黄浩 游天桂 欧欣 王镇 于 2020-04-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器,涉及低温超导探测器技术领域。本发明通过在衬底上形成预设的宿主薄膜,并在宿主薄膜的深度方向进行非均匀注入磁性离子,在宿主薄膜的深度方向上形成共存的磁性掺杂区和非掺杂区,得到磁性掺杂超导薄膜。本发明采用非均匀的离子注入方式,能够有效抑制宿主薄膜的超导特性,起到调控宿主薄膜的临界温度的目的。相对于现有技术,本发明在达到相同的临界温度调控的同时,还可以获得更低的电阻率；由于该磁性掺杂超导薄膜具有较高的稳定性,能够使超导转变边沿探测器的制备和性能避免因双层膜不稳定性带来的影响,能够极大地提高超导转变边沿探测器制备过程中和使用性能的稳定性。(The invention discloses a magnetic doped superconducting film, a preparation method thereof and a superconducting transition edge detector, and relates to the technical field of low-temperature superconducting detectors. The invention forms a preset host film on a substrate, and carries out non-uniform injection of magnetic ions in the depth direction of the host film, and forms a magnetic doped region and a non-doped region which coexist in the depth direction of the host film, thus obtaining the magnetic doped superconducting film. The invention adopts a non-uniform ion implantation mode, can effectively inhibit the superconducting characteristic of the host film and achieves the purpose of regulating and controlling the critical temperature of the host film. Compared with the prior art, the method can obtain lower resistivity while achieving the same critical temperature regulation and control; because the magnetic doped superconducting film has higher stability, the preparation and the performance of the superconducting transition edge detector can be prevented from being influenced by the instability of a double-layer film, and the stability of the preparation process and the use performance of the superconducting transition edge detector can be greatly improved.)

一种磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器

技术领域

本发明涉及低温超导探测器技术领域，尤其涉及一种磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器。

背景技术

超导转变边沿探测器(Transition Edge Sensor，TES)是一类利用超导薄膜陡峭的电阻转变边沿作为其温度计的低温超导热探测器。TES探测器有着宽探测频谱、极高的灵敏度、极低的暗计数以及高能量分辨率与光子计数能力等优点，在X射线波段有着非色散光谱仪中最高的分辨率。目前国际先进的TES探测器已经实现了5.9KeV能区1.6eV的分辨率。TES的核心元件是偏置在正常态至超导态转变区间内的超导薄膜，利用其在超导转变区域内陡峭的电阻-温度(R-T)关系来作为高灵敏的温度计来使用。

临界温度Tc、转变宽度ΔT和电阻率ρ等薄膜物性参数，直接关系到TES探测器的探测性能，因此如何可靠地获取具有目标物性参数的超导薄膜一直是TES探测器研究的基础和关键。目前获取具有目标临界温度Tc的主要方式是双层膜技术，其是通过近邻效应来实现的临界温度调控。然而这种双层膜技术的可控性和稳定性较差，往往会因为薄膜沉积设备或制备工艺中的一些随机因素而失去稳定性。因此，有必要采取一种新的物性调节技术，从而能够稳定可靠地获取具有目标物性参数的超导薄膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器，用以克服上述背景技术中的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明一方面提供一种磁性掺杂超导薄膜的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底，在所述衬底上形成预设的宿主薄膜；

采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和所述宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得所述磁性离子在所述预设的注入深度范围内浓度一致；

按照离子能量从高到低的顺序，沿所述宿主薄膜的深度方向注入所述磁性离子，在所述宿主薄膜的深度方向形成共存的磁性掺杂区和非掺杂区，得到磁性掺杂超导薄膜。

进一步地，在提供一衬底，在所述衬底上形成预设的宿主薄膜的步骤中，通过磁控溅射、电子束蒸发或原子层沉积的方式形成所述宿主薄膜。

进一步地，在提供一衬底，在所述衬底上形成预设的宿主薄膜的步骤中，所述宿主薄膜的材料为Al、W、Ti或Mo。

进一步地，在提供一衬底，在所述衬底上形成预设的宿主薄膜的步骤中，所述宿主薄膜的厚度为200～500nm。

进一步地，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和所述宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得所述磁性离子在所述预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，所述预设的注入深度为所述宿主薄膜的厚度的1/2～1/3。

进一步地，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和所述宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得所述磁性离子在所述预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，所述磁性离子为Mn、Fe或Co。

进一步地，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和所述宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得所述磁性离子在所述预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，所述注入的离子能量包括多种，利用仿真模拟软件确定所述离子能量，所述离子能量的确定标准是各离子能量的高斯分布峰值位于所述预设的注入深度的三等份点或四等份点处。

进一步地，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和所述宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得所述磁性离子在所述预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，利用仿真模拟软件确定所述离子剂量，所述离子剂量的确定标准是所述磁性离子在所述预设的注入深度范围内浓度一致。

本发明第二方面提供一种根据上述磁性掺杂超导薄膜的制备方法制备的磁性掺杂超导薄膜。

本发明第三方面提供一种超导转变边沿探测器，该超导转变边沿探测器包括上述的磁性掺杂超导薄膜。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明的磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器，通过在衬底上形成宿主薄膜，并在宿主薄膜的深度方向进行部分注入磁性离子，形成共存的磁性掺杂区和非掺杂区，以抑制宿主薄膜的超导特性，起到调控宿主薄膜临界温度的目的。相对于现有技术中采用的双层膜技术，本发明的磁性掺杂超导薄膜制备方法简单可控，且薄膜具有较好的稳定性；而且，采用非均匀的离子注入方式，在达到相同的临界温度调控的同时，还可以获得更低的电阻率。

2、本发明的通过非均匀离子注入获得的磁性掺杂超导薄膜，替代现有技术中的双层膜来应用于超导转变边沿探测器的制备与应用，由于采用该方法获得的磁性掺杂超导薄膜具有较好的稳定性，使得超导转变边沿探测器的制备和性能避免因双层膜不稳定性带来的影响，能够极大地提高超导转变边沿探测器制备过程中的稳定性，并保证了使用性能的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例的磁性掺杂超导薄膜的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例中在衬底上生长宿主薄膜的结构示意图；

图3是本发明实施例中Mn离子浓度随深度变化的仿真。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例提供了一种磁性掺杂超导薄膜的制备方法，参阅图1，本实施例的磁性掺杂超导薄膜的制备方法包括以下步骤：

提供一衬底，在衬底上形成预设的宿主薄膜；

采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得磁性离子在预设的注入深度范围内浓度一致；

按照离子能量从高到低的顺序，沿宿主薄膜的深度方向注入磁性离子，在宿主薄膜的深度方向形成共存的磁性掺杂区和非掺杂区，得到磁性掺杂超导薄膜。

本实施例的磁性掺杂超导薄膜的制备方法，通过在衬底上形成预设的宿主薄膜，并在宿主薄膜的深度方向进行部分注入磁性离子，形成共存的磁性掺杂区和非掺杂区，以抑制宿主薄膜的超导特性，起到调控宿主薄膜临界温度的目的。相对于现有技术中采用的双层膜技术，本发明的磁性掺杂超导薄膜制备方法简单可控，且薄膜具有较好的稳定性；而且，采用非均匀的离子注入方式，相较于在宿主薄膜整个深度方向上都进行的均匀离子注入，在达到相同的临界温度调控的同时，还可以获得更低的电阻率。

作为一种具体的实施方式，在提供一衬底，在衬底上形成预设的宿主薄膜的步骤中，先对衬底表面进行清洗，具体地，采用等离子清洗的方式对衬底表面进行清洗，之后通过磁控溅射、电子束蒸发或原子层沉积的方式在衬底表面形成一层宿主薄膜，如图2所示。生长形成的宿主薄膜，用于后续的离子注入。

需要说明的是，对衬底表面进行清洗的方式不限于上述的等离子清洗，宿主薄膜的形成方法也不限于上述的磁控溅射、电子束蒸发或原子层沉积的方式，在其他的一些实施例中，也可以采用其他的方式对衬底表面进行清洗，以及采用其他的方式形成宿主薄膜，只要能够实现相同的功能即可。

作为一种具体的实施方式，在提供一衬底，在衬底上形成预设的宿主薄膜的步骤中，宿主薄膜的材料为Al、W、Ti或Mo。

作为一种具体的实施方式，在提供一衬底，在衬底上形成预设的宿主薄膜的步骤中，宿主薄膜的厚度为200～500nm。

需要说明的是，宿主薄膜的厚度，以及包括注入离子种类、注入的离子能量和注入的离子剂量在内的具体注入方案，共同影响着最终的注入结果。在确定宿主薄膜的厚度时，一方面要考虑实际应用情况对宿主薄膜厚度的限制，另一方面还要考虑注入方案对宿主薄膜厚度的限制。本实施例中的磁性掺杂超导薄膜的制备方法，宿主薄膜不能太薄，因为需要预留一些厚度作为非注入区，而且注入区本身的厚度也不能太薄，因为注入区太薄意味着低离子能量的注入，而这意味着离子注入过程不易控制。同时，宿主薄膜也不能太厚，否则会对其他调节因素造成过大的压力。在其他的一些实施例中，宿主薄膜的厚度可以根据具体的应用设置为其他的数值，只要能够实现相同的功能即可。

作为一种具体的实施方式，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得磁性离子在预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，预设的注入深度小于宿主薄膜的厚度，预设的注入深度为宿主薄膜的厚度的1/2～1/3。

作为一种具体的实施方式，当宿主薄膜的材料为Al、W、Ti或Mo时，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得磁性离子在预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，注入的磁性离子为Mn、Fe或Co。

磁性杂质会抑制超导特性，本实施例中，杂质态与宿主薄膜金属电子态的杂化将会导致d型态密度的展宽。在弱散射近似下，d型态密度的展宽远小于由于库伦斥力而导致的上下旋态之间的能量差。杂质仍然保持磁性，之间有着RKKY(Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida)耦合。此时，取决于杂质是铁磁性还是反铁磁性，对宿主金属超导临界温度Tc的抑制会通过RKKY耦合得到增强或抵消。而若导电电子的散射速率足够高，会使得d型态密度的展宽超过自旋态之间的能量差，杂质的磁矩被电子所冲走，杂质可视为非磁性杂质。但相反自旋d电子之间的库伦斥力会拆开库柏电子对，抑制电子-声子耦合强度在不破坏库柏电子对时间反对称性下，破坏宿主的超导电性。本实施例在，采用Al、W、Ti或Mo形成的宿主薄膜，以及Mn、Fe或Co作为注入的磁性离子，能够很好地抑制宿主薄膜的超导特性，从而起到调控宿主导薄膜临界温度的目的。

作为一种具体的实施方式，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得磁性离子在预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，注入的离子能量包括多种，注入的离子能量的确定标准是各离子能量的高斯分布峰值位于所需注入范围的三等份点或四等份点处。由于注入方案采用的是非均匀的离子注入方案，采用多能量离子注入方案如双能量、三能量或其他多能量的离子注入，注入的磁性离子在深度方向上主要分布在宿主薄膜的前一部分，而在后一部分只有少量甚至没有磁性离子，以形成共存的磁性掺杂区和非掺杂区。

作为一种具体的实施方式，在采用非均匀的离子注入方式，按照预设的注入深度和宿主薄膜，确定注入的磁性离子的种类、注入的离子能量和注入的离子剂量，使得磁性离子在预设的注入深度范围内浓度一致的步骤中，注入的离子剂量的确定标准是磁性离子在所需注入范围内的浓度均匀一致。

本实施例中，通过仿真模拟软件SRIM-2013来确定注入磁性离子的能量和剂量。注入能量的确定标准是各能量的高斯分布峰值位于所需注入范围的三等份点或四等份点处。注入剂量的确定标准是磁性离子在所需注入范围内的浓度均匀一致。当然，在其他的一些实施例中，也可以采用其他的仿真模拟软件来确定注入磁性离子的能量和剂量，以实现上述相同的功能。

需要说明的是，本实施例中的非均匀注入方案，在于使宿主薄膜的深度方向上形成磁性掺杂区与非掺杂区共存的情况，其中磁性掺杂区为所需注入范围，即在宿主薄膜的深度方向上期望注入的深度，也即预设注入深度。具体所需的注入范围与所期望达到的目的如临界温度值、电阻率等，以及具体情况如宿主薄膜的厚度、注入的方案等因素有关，可以根据实际情况进行相应的调节。

以在衬底上形成预设的Al宿主薄膜为例，进一步对本实施例中的磁性掺杂超导薄膜的制备方法作详细的说明。对于预设的宿主薄膜为300nm的Al膜，所需注入深度为Al膜深度方向的前100nm来说，确定注入离子为Mn离子，典型注入的离子能量和对应离子剂量的比例是30KeV：65KeV：100KeV＝1：1.5：3.2，Mn离子的浓度随注入深度的变化如图3所示，在所需的注入深度范围内，Mn离子的浓度基本相同。目标浓度值与所需注入的离子剂量成正比，具体举例来说，在目标浓度值为2500ppm时，上述30KeV、65KeV、100KeV的离子能量分别对应的离子的注入剂量为3.01E14Atoms/cm²、4.52E14 Atoms/cm²、9.64E14 Atoms/cm；在目标浓度为3000ppm时，上述30KeV、65KeV、100KeV的离子能量分别对应的离子的注入剂量为3.62E14 Atoms/cm²、5.43E14 Atoms/cm²、1.16E15 Atoms/cm²。

当然，在其他的一些实施例中，也可以选择注入离子为Fe或Co，或者其他类型的离子；根据宿主薄膜的厚度以及注入深度，结合磁性掺杂超导薄膜的目标特性，还可以相应地调节注入的离子能量和离子剂量。

离子注入是一种成熟的工业技术，可以实现对注入剂量的精准控制，而不同的注入剂量又会带来不同程度的临界温度抑制。因此，本实施例中的磁性掺杂超导薄膜的制备方法，通过调整注入的剂量，可以实现对超导临界温度精准且灵活的调控。相较于均匀的离子注入，本实施例中的非均匀注入由于保留了非掺杂区，可以在实现相同的临界温度的同时做到更低的电阻率，而这点是有益于磁性掺杂超导薄膜在超导转变边沿探测器等方面的应用的。

相较于现有技术中的双层膜技术，本实施例中的磁性掺杂超导薄膜的制备方法有着很好的稳定性，同一批次的芯片之间，批次与批次之间的芯片，都有着高度的均一性。即使是不同的离子注入设备，结果也在很小的误差内。因此，本实施例中的磁性掺杂超导薄膜的制备方法可靠且稳定。

本发明的另一实施例提供一种磁性掺杂超导薄膜，该磁性掺杂超导薄膜采用上述实施例中的磁性掺杂超导薄膜的制备方法制备得到。

本发明的另一实施例还提供一种超导转变边沿探测器，该超导转变边沿探测器包括上述实施例中的磁性掺杂超导薄膜。采用通过非均匀离子注入获得的磁性掺杂超导薄膜替代现有技术中的双层膜，来应用于超导转变边沿探测器的制备与应用，由于上述实施例中的磁性掺杂超导薄膜具有较好的稳定性，使得超导转变边沿探测器的制备和性能避免因双层膜不稳定性带来的影响，能够极大地提高超导转变边沿探测器制备过程中的稳定性，并保证了使用性能的稳定性。

本发明的上述实施例，具有如下有益效果：

1、本发明的磁性掺杂超导薄膜及制备方法和超导转变边沿探测器，通过在衬底上形成宿主薄膜，并在宿主薄膜的深度方向进行部分注入磁性离子，形成共存的磁性掺杂区和非掺杂区，以抑制宿主薄膜的超导特性，起到调控宿主薄膜临界温度的目的。相对于现有技术中采用的双层膜技术，本发明的磁性掺杂超导薄膜制备方法简单可控，且薄膜具有较好的稳定性；而且，采用非均匀的离子注入方式，在达到相同的临界温度调控的同时，还可以获得更低的电阻率。

2、本发明的通过非均匀离子注入获得的磁性掺杂超导薄膜，替代现有技术中的双层膜来应用于超导转变边沿探测器的制备与应用，由于采用该方法获得的磁性掺杂超导薄膜具有较好的稳定性，使得超导转变边沿探测器的制备和性能避免因双层膜不稳定性带来的影响，能够极大地提高超导转变边沿探测器制备过程中的稳定性，并保证了使用性能的稳定性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。