超导薄膜、制备方法、超导转变边沿探测器及应用与流程

1.本发明涉及光子探测技术领域，特别是涉及一种超导薄膜、制备方法、超导转变边沿探测器及应用。


背景技术：

2.超导转变边沿探测器(transition edge sensor，tes)能够通过探测吸收体极小的温度变化从而获得入射光子的能量信息。相比于传统的半导体光子探测器，超导转变边沿探测器具有高量子效率、出色的光子数分辨能力及能量分辨能力，且其暗计数率几乎忽略不计，在单光子计量方面是理想的光子探测器。超导转变边沿探测器被广泛应用于天文探测、量子通讯、生物荧光传感等诸多领域。
3.能量分辨率是超导转变边沿探测器中非常重要的指标，为了达到良好的能量分辨率，超导边沿转变探测器通常工作在极低温区，例如数十到数百毫开(mk)左右，这要求其所使用的超导材料也要具有极低的超导转变温度(tc)。目前已知的金属超导转变温度通常达到数百毫开到数开(k)，通常略高于超导转变边沿探测器的工作温度。
4.邻近效应主要产生于超导金属膜层与正常态金属膜层之间的界面上，电子从正常态金属的一端射入超导-金属界面，反射回金属时会形成一个空穴，同时破坏超导一端的一个库伯对，总的结果就是被认为从超导一端到金属一端传递了一个库伯对，因而能够降低超导温度。在超导金属膜层上层叠正常态金属膜层制备成双层薄膜，能够借助邻近效应压低双层薄膜整体的超导转变温度。超导金属膜层与正常态金属膜层之间清晰的界面有助于超导效应的发挥。
5.在实际使用中，通常可以通过调节超导金属膜层和正常态金属膜层的厚度来调节双层薄膜的超导转变温度，但是这种调节超导转变温度的方式不仅仅改变了双层薄膜的超导转变温度，还改变了双层薄膜整体的厚度和成分，进而使得双层薄膜的热容发生改变，影响能量分辨率。


技术实现要素：

6.基于此，有必要提供一种超导薄膜，该超导薄膜能够实现在不改变热容的情况下改变超导转变温度。进一步地，提供其对应的制备方法、超导转变边沿探测器及应用。
7.根据本发明的一个实施例，一种超导薄膜，包括超导金属膜层、合金膜层和正常态金属膜层，所述合金膜层的合金包括所述超导金属膜层中的超导金属与所述正常态金属膜层中的正常态金属，所述合金膜层层叠设置于所述超导金属膜层与所述正常态金属膜层之间。
8.在其中一个实施例中，所述超导金属膜层的层数和所述正常态金属膜层的层数共计有三层以上，所述超导金属膜层和所述正常态金属膜层交替设置，且各相邻的所述超导金属膜层与所述正常态金属膜层之间均层叠设置有所述合金膜层。
9.在其中一个实施例中，所述超导金属膜层的材料选自钛和钼中的一种或多种；和/
或
10.所述正常态金属膜层的材料选自金、铜和钯中的一种或多种。
11.在其中一个实施例中，所述合金膜层的厚度为5nm～100nm；和/或
12.所述超导金属膜层的厚度为10nm～100nm；和/或
13.所述正常态金属膜层的厚度为10nm～200nm。
14.传统的用于超导转变边沿探测器的超导薄膜通常由层叠设置的超导金属膜层和正常态金属膜层构成，引入正常态金属膜层能够降低超导金属膜层的超导转变温度，然而通过层叠正常态金属膜层与超导金属膜层的方式往往很难在保持热容不变的情况下调控其超导转变温度。
15.相较于上述双层薄膜，该实施例中的超导薄膜具有如下有益效果。该超导薄膜中在超导金属膜层和正常态金属膜层之间引入了合金膜层，合金膜层中包括超导金属和正常态金属，相当于在超导金属膜层和正常态金属膜层之间构造了一个便于人为调节的过渡界面。发明人发现，合金膜层的引入不仅能够有效降低超导薄膜的超导转变温度，通过调节该过渡界面的组分或占比能够影响超导薄膜的超导转变温度，而这一过程可以不改变超导薄膜的各组分用量，因而还能够用于在维持该超导薄膜整体的热容不变的情况下调控超导薄膜整体的超导转变温度。
16.又一方面，一种根据上述任一实施例所述的超导薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
17.在衬底上沉积第一金属材料；
18.在沉积的所述第一金属材料形成的薄膜上共沉积第一金属材料和第二金属材料，制备所述合金膜层；
19.在所述合金膜层上沉积第二金属材料；
20.其中，所述第一金属材料选自超导金属，所述第二金属材料选自正常态金属；或所述第一金属材料选自正常态金属，所述第二金属材料选自超导金属。
21.又一方面，根据上述任一实施例所述的超导薄膜在调控超导转变温度中的应用。
22.在其中一个实施例中，采用如上述任一实施例所述的超导薄膜，保持所述超导薄膜中各金属元素含量恒定，通过对应调整所述超导金属膜层、所述正常态金属膜层和所述合金膜层的量，以调整所述超导薄膜的超导转变温度至预设的超导转变温度。
23.在其中一个实施例中，在对应调整所述超导金属膜层、所述正常态金属膜层和所述合金膜层的量的过程中，保持所述超导薄膜的总厚度恒定，在保持所述合金膜层中的正常态金属和超导金属的比例恒定的情况下，改变所述超导金属膜层的厚度和所述正常态金属膜层的厚度，并对应改变形成的所述合金膜层的厚度。
24.该超导薄膜超导转变温度的调控方法主要基于上述实施例中具有合金膜层作为中间层的合金膜层。具体地，可以在保持超导薄膜各金属含量不变的情况下，通过调控其中合金膜层的组分或占比来调控该超导薄膜的超导转变温度。由于在调控过程中并未改变超导薄膜的总体成分，因此能够实现在不改变该超导薄膜总体热容的情况下调控其超导转变温度。
25.又一方面，一种根据上述任一实施例所述的超导薄膜在制备超导转变边沿探测器中的应用。
26.再一方面，一种超导转变边沿探测器，其包括根据上述任一实施例所述的超导薄膜。
27.及，根据上述任一实施例所述的超导转变边沿探测器在光量子探测中的应用。
附图说明
28.图1为一种超导薄膜的结构示意图；
29.图2为一种超导薄膜的结构示意图；
30.图3为一种超导薄膜的结构示意图；
31.图4为实施例1～3及对比例1的超导薄膜的超导转变温度测试图。
具体实施方式
32.为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。文中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
33.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本文所使用的“多”包括两个和多于两个的项目。本文所使用的“某数以上”应当理解为某数及大于某数的范围。
34.根据本发明的一个实施例，一种超导薄膜，其包括超导金属膜层、合金膜层和正常态金属膜层，合金膜层的合金包括超导金属膜层中的超导金属与正常态金属膜层中的正常态金属，合金膜层层叠设置于超导金属膜层与正常态金属膜层之间。
35.其中，超导金属膜层是由超导金属形成的薄膜，其厚度通常在1μm以下。超导金属指的是能够在某一温度下转变为超导态的金属材料，该温度为其超导转变温度。正常态金属膜层是由正常态金属形成的薄膜，其厚度通常在1μm以下。正常态金属指的是随着温度的改变无法转变为超导态的金属材料，可以理解，正常态金属不具有超导态。
36.其中，超导金属膜层可以是由一种超导金属或多种超导金属复合形成的金属薄膜。为了便于调控，超导金属膜层由一种超导金属形成。正常态金属膜层可以是由一种正常态金属或多种正常态金属复合形成的金属薄膜。为了便于调控，正常态金属膜层由一种正常态金属形成。
37.其中，合金膜层层叠设置于超导金属膜层与正常态金属膜层之间，具体为合金膜层接触超导金属膜层与正常态金属膜层设置。
38.在其中一个实施例中，超导金属膜层的层数和正常态金属膜层的层数共计有三层以上，超导金属膜层和正常态金属膜层交替设置，且相邻的超导金属膜层与正常态金属膜层之间均层叠设置有合金膜层。
39.其中，可以理解，相邻的超导金属膜层和正常态金属膜层之间层叠夹设了合金膜层，因此超导金属膜层和正常态金属膜层在交替设置时二者之间并未发生接触。
40.其中，超导金属膜层和正常态金属膜层的总层数为三层或多于三层。可以理解，超导金属膜层和正常态金属膜层的总层数为三层时，可以是超导金属膜层有一层，正常态金
属膜层有两层，或超导金属膜层有两层，正常态金属膜层有一层。超导金属膜层和正常态金属膜层的总层数多于三层时，超导金属膜层和正常态金属膜层均有多层，并且为了保证超导金属膜层与正常态金属膜层之间实现交替设置，超导金属膜层和正常态金属膜层二者的层数之差为0或1。
41.当超导金属膜层或正常态金属膜层中至少一种有多层并且实现交替层叠设置时，相当于在整体的超导薄膜中构造了更多合金膜层界面，相较于一层超导金属膜层和一层正常态金属膜层的情况，能够进一步降低超导薄膜整体的超导转变温度，增大可调控范围。
42.在其中一个具体示例中，合金膜层的厚度≥5nm。可选地，合金膜层的厚度为5nm～100nm。进一步地，合金膜层的厚度为10nm～80nm。例如，合金膜层的厚度为10nm、20nm、40nm、60nm或80nm。
43.在其中一个具体示例中，在连续层叠的超导金属膜层、合金膜层和正常态金属膜层中，合金膜层的厚度在超导金属膜层、合金膜层和正常态金属膜层中的总厚度占比为10％～80％。可选地，合金膜层的厚度占比为10％、20％、40％、60％或80％。
44.在其中一个具体示例中，超导金属膜层的材料选自钛和钼中的一种或多种。其中，钛的超导转变温度为390mk，钼的超导转变温度为920mk。钛和钼均具有低于1k的超导转变温度，超导转变温度较低，并且能结合到上述超导薄膜中进行超导转变温度的调控，具有较为广阔的调节空间。
45.在其中一个具体示例中，正常态金属膜层的材料选自金或钯中的一种或多种。其中，金或钯无法在低温情况下转变为超导态，并且不易被氧化造成超导薄膜的超导转变温度或热容等参数的大幅波动，有助于维持超导薄膜的长时间稳定状态。
46.在其中一个具体示例中，所述超导金属膜层的厚度为10nm～100nm。可选地，超导金属膜层的厚度为10nm～90nm。具体地，超导金属膜层的厚度为10nm、20nm、40nm、60nm、80nm或90nm。
47.在其中一个具体示例中，所述正常态金属膜层的厚度为10nm～200nm。可选地，正常态金属膜层的厚度为10nm～100nm。具体地，正常态金属膜层的厚度为10nm、20nm、40nm、60nm、80nm或100nm。
48.在其中一个具体示例中，在所述合金膜层中所述超导金属和所述正常态金属的成分比例为1:1。进一步地，超导金属膜层是由单种超导金属形成的，正常态金属膜层是由单种正常态金属形成的。在其中一个具体示例中，合金膜层是由超导金属和正常态金属构成的。
49.在其中一个具体示例中，超导金属和正常态金属形成固溶体。固溶体指的是溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相。
50.在其中一个具体示例中，该超导薄膜的总厚度≤500nm。可选地，该超导薄膜的总厚度≤300nm。进一步地，该超导薄膜的总厚度≤200nm。
51.又一方面，一种制备上述实施例中超导薄膜的制备方法，其采用共沉积法制备合金膜层层。
52.该制备方法包括如下步骤：在衬底上沉积第一金属材料；在沉积的所述第一金属材料形成的薄膜上共沉积第一金属材料和第二金属材料，制备所述合金膜层；在所述合金膜层上沉积第二金属材料；其中，所述第一金属材料和所述第二金属材料分别选自超导金
属材料和所述正常态金属材料。
53.具体地，其中一种制备方法为：在衬底上沉积超导金属材料，形成超导金属膜层；在沉积的超导金属膜层上共沉积超导金属材料和正常态金属材料，形成合金膜层；在合金膜层上沉积正常态金属材料，形成正常态金属膜层。
54.另一种制备方法为：在衬底上沉积正常态金属材料，形成正常态金属膜层；
55.在沉积的正常态金属膜层上共沉积超导金属材料和正常态金属材料，形成合金膜层；在合金膜层上沉积超导金属材料，形成超导金属膜层。
56.共沉积法制备该超导薄膜的优点在于可控性强，便于较为精确地控制超导薄膜尤其是合金薄膜中各组分的含量。在其中一个具体示例中，共沉积法具体可以选自共溅射法。可以理解，在制备各膜层的过程中，可以通过控制沉积时间和沉积功率以控制沉积得到上述实施例中的各薄膜的厚度。在制备合金膜层时，可以通过分别控制两种金属材料的沉积功率，以控制两种金属材料的沉积速率，使得最终形成的合金膜层中两种金属材料具有特定的比值，例如1:1。
57.参照图1所示，一个实施例中的超导薄膜100，其包括超导金属膜层10、合金膜层20和正常态金属膜层30，形成该合金膜层20的合金包括超导金属膜层10中的超导金属与正常态金属膜层30的正常态金属，合金膜层20层叠设置于所述超导金属膜层10与所述正常态金属膜层30之间。
58.具体地，其中的超导金属为钛，正常态金属为金，合金膜层20的材料是钛金合金。进一步地，合金膜层20由钛和金经共溅射沉积得到。
59.参照图2所示，另一个实施例中的超导薄膜200，其包括依次层叠设置的超导金属膜层10、合金膜层20、正常态金属膜层30、合金膜层20及超导金属膜层10。其中两层超导金属膜层10和一层正常态金属膜层30交替设置，并且两层超导金属膜层10和一层正常态金属膜层30之间的两个间隔各设置有一层合金膜层20。
60.图2示出的超导薄膜200相当于在图1示出的超导薄膜100的上侧新增了一层超导金属膜层10，并对应在该超导金属膜层10与邻近的正常态金属膜层30之间增设了层叠设置的合金膜层20。
61.参照图3所示，再一个实施例中的超导薄膜300，其包括依次层叠设置的正常态金属膜层30、合金膜层20、超导金属膜层10、合金膜层20、正常态金属膜层30、合金膜层20、超导金属膜层10、合金膜层20及正常态金属膜层30。
62.图3示出的超导薄膜300相当于在图2示出的超导薄膜200的上侧和下侧分别新增了一层正常态金属膜层30，并对应在这两层正常态金属膜层30与各自邻近的超导金属膜层10之间增设了层叠设置的合金膜层20。
63.又一方面，本发明的一个实施例还提供了一种超导转变边沿探测器，其包括如上述任一实施例中的超导薄膜。
64.再一方面，该超导转变边沿探测器能够用于光量子探测，具体可应用于天文探测、量子通讯或生物荧光传感等领域。具体地，该超导转变边沿探测器在通吸收光子后温度略为上升，通过测量该温度的微小能够获得入射光子的能量信息。
65.通过实验发现，在不改变整体组分含量的情况下，在超导金属膜层和正常态金属膜层之间引入合金膜层，能够降低超导转变温度，并且由于未改变整体组分含量，因此改变
后的超导薄膜的热容并未改变，因此还提出了一种上述实施例中的超导薄膜在调控超导转变温度中的应用。
66.具体地，可以利用如上述实施例任一实施例中的超导薄膜，保持所述超导薄膜中各金属元素含量恒定，通过对应调整所述超导金属膜层、所述正常态金属膜层和所述合金膜层的量，以调整所述超导薄膜的超导转变温度至预设的超导转变温度。其中，调整合金膜层的量，可以是保持合金膜层中各金属元素的比例不变，改变合金膜层的厚度；也可以是保持合金膜层的厚度不变，调整合金膜层中各金属元素的比例；又或者是同时改变合金膜层的厚度和比例。实验发现，以上措施均可以在不改变超导薄膜中各金属元素的量的情况下调控其超导转变温度。另外，还可以是改变合金膜层中元素分布情况，例如，合金膜层中的金属元素分布可以是渐变式的，更靠近超导金属膜层的部分合金膜层中超导金属的含量更高。
67.其中，对应调整所述超导金属膜层、所述正常态金属膜层和所述合金膜层的量，具体可以是在减少超导金属膜层的量以及正常态金属膜层的量的同时增加合金膜层的量，或是在增加超导金属膜层的量以及正常态金属膜层的量的同时减少合金膜层的量。由于各金属元素含量保持恒定，因此在无论如何调节该超导薄膜中合金膜层的量，所得的超导薄膜的热容都保持恒定，而超导薄膜的超导转变温度随着合金薄膜的占比会逐渐发生变化。
68.在其中一个具体示例中，在对应调整超导金属膜层、正常态金属膜层和合金膜层的量的过程中，在保持合金膜层中的正常态金属和超导金属的比例恒定的情况下，改变超导金属膜层的厚度和正常态金属膜层的厚度，并对应改变形成的合金膜层的厚度，以保持超导薄膜的厚度恒定。例如，将超导金属膜层和正常态金属膜层的厚度各降低10nm，并对应增加20nm厚的合金膜层。当然，20nm厚的合金膜层中超导金属材料和正常态金属材料与减少的量保持相同。
69.例如，初始薄膜包括层叠设置的钛膜层和金膜层，在调控过程中，可以将钛膜层的厚度降低10nm制备以及将金膜层的厚度降低10nm制备，并对应增加20nm的钛金合金膜层。可以理解，其中20nm的钛金合金膜层中应当具有和10nm的钛膜层及10nm的金膜层相同的各金属含量。
70.为了更易于理解及实现本发明，以下还提供了如下较易实施的、更为具体详细的实施例及对比例作为参考。通过下述具体实施例和对比例的描述及性能结果，本发明的各实施例及其优点也将显而易见。
71.如无特殊说明，以下各实施例所用的原材料皆可从市场上常规购得。
72.实施例1
73.清洗2英寸的单抛硅片，依次采用丙酮超声10min，异丙醇超声10min，酒精超声10min，超纯水超声10min，并用氮气吹干；
74.采用lesker cluster磁控溅射沉积系统，采用溅射沉积的方式制备ti膜层，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压为0.4pa，溅射功率为300w，膜厚为65nm，作为超导金属膜层；
75.采用共溅射溅射沉积的方式制备ti/au薄膜，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压的0.4pa，ti溅射功率为300w，au溅射功率为76w，膜厚为10nm，作为合金膜层；
76.采用溅射沉积的方式制备au薄膜，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压的0.4pa，
溅射功率为200w，膜厚为55nm，作为正常态金属膜层。
77.实施例2
78.清洗2英寸的单抛硅片，依次采用丙酮超声10min，异丙醇超声10min，酒精超声10min，超纯水超声10min，并用氮气吹干；
79.采用lesker cluster磁控溅射沉积系统，采用溅射沉积的方式制备ti膜层，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压为0.4pa，溅射功率为300w，膜厚为60nm，作为超导金属膜层；
80.采用共溅射溅射沉积的方式制备ti/au薄膜，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压的0.4pa，ti溅射功率为300w，au溅射功率为76w，膜厚为20nm，作为合金膜层；
81.采用溅射沉积的方式制备au薄膜，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压的0.4pa，溅射功率为200w，膜厚为50nm，作为正常态金属膜层。
82.实施例3
83.清洗2英寸的单抛硅片，依次采用丙酮超声10min，异丙醇超声10min，酒精超声10min，超纯水超声10min，并用氮气吹干；
84.采用lesker cluster磁控溅射沉积系统，采用溅射沉积的方式制备ti膜层，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压为0.4pa，溅射功率为300w，膜厚为50nm，作为超导金属膜层；
85.采用共溅射溅射沉积的方式制备ti/au薄膜，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压的0.4pa，ti溅射功率为300w，au溅射功率为76w，膜厚为40nm，作为合金膜层；
86.采用溅射沉积的方式制备au薄膜，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压的0.4pa，溅射功率为200w，膜厚为40nm，作为正常态金属膜层。
87.对比例1
88.清洗2英寸的单抛硅片，依次采用丙酮超声10min，异丙醇超声10min，酒精超声10min，超纯水超声10min，并用氮气吹干；
89.采用lesker cluster磁控溅射沉积系统，采用溅射沉积的方式制备ti膜层，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压为0.4pa，溅射功率为300w，膜厚为70nm，作为超导金属膜层；
90.采用溅射沉积的方式制备au薄膜，通入氩气(纯度99.9999％)，工作气压的0.4pa，溅射功率为200w，膜厚为60nm，作为正常态金属膜层。
91.实验例：测试实施例1～2及对比例1制备的超导薄膜的超导转变温度。，具体结果可见于附图1。
92.参照图4所示，对比例1中的金膜层厚度为60nm，钛膜层厚度为70nm，钛膜层与金膜层层叠构成双层超导薄膜，其超导转变温度约为334mk，低于钛金属390mk的超导转变温度。实施例1在对比例1的基础上将制备的金膜层的厚度降低5nm以及将制备的钛膜层的厚度降低5nm，对应在金膜层与钛膜层之间新增厚度为10nm的钛金合金膜层，形成本发明提供的超导薄膜，实施例1的超导薄膜的总厚度与对比例1的超导薄膜的总厚度相同。参照图4，实施例1的热导转变温度为264mk，相较于对比例1大幅度降低。实施例2在对比例1的基础上将制备的金膜层的厚度降低10nm以及将制备的钛膜层的厚度降低10nm，对应在金膜层与钛膜层之间新增厚度为20nm的钛金合金膜层，形成本发明提供的超导薄膜，实施例2的超导薄膜的
总厚度与对比例1的初始薄膜的总厚度相同。参照图4，实施例2的热导转变温度为227mk，相较于对比例1大幅度降低。实施例3在实施例1的基础上进一步将制备的金膜层的厚度降低20nm以及将制备的钛膜层的厚度降低20nm，对应将钛金合金膜层的厚度设置为40nm。参照图4，实施例3的热导转变温度为144mk，相较于对比例1降低的幅度更大，说明在保持超导薄膜各元素整体含量不变的情况下，随着合金膜层的量的提高，超导薄膜的超导转变温度也逐渐下降。利用这一特性，通过改变合金膜层的量，能够实现在保持超导薄膜热容不变的情况下，调控超导薄膜的超导转变温度。
93.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
94.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。