氬氣退火時間對Fe(Se,Te)薄膜的性能影響研究

羅露林，張 潔，羊新勝，趙 勇

(1.西南交通大學(xué)超導(dǎo)與新能源研究開發(fā)中心，成都 610031；2.西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031)

0 引 言

超導(dǎo)體的研究最早可以追溯到1911年，雖然人們已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多類型的超導(dǎo)材料，但是大部分超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度較低。2008年，LaFeAsO1-xFx被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(臨界溫度)Tc為26 K的超導(dǎo)電性[1]，由此引起了科學(xué)家們對鐵基超導(dǎo)體的廣泛關(guān)注。相比于銅基超導(dǎo)體，鐵基超導(dǎo)體具有較大的臨界電流密度、較高的上臨界磁場以及較小的各向異性，有著極大的研究意義和應(yīng)用前景。鐵基超導(dǎo)體家族體系眾多，主要包括1111體系、111體系、122體系及11體系[2-5]。其中，11體系的FeSe超導(dǎo)體由于組成結(jié)構(gòu)簡單，僅由Fe2Se2層沿c軸堆砌而成，便于合成，有助于研究超導(dǎo)的物理機(jī)制，因而獲得了眾多研究者的青睞。FeSe的Tc約為8 K，外加壓強(qiáng)或元素替換均是有效提升Tc的方法。例如，Medvedev等[6]通過施加8.9 GPa的壓強(qiáng)將FeSe的Tc提高到36.7 K，Katayama等[7]使用Te部分取代Se位制備了Fe(Se,Te)，Tc提高到了14.5 K。

由于薄膜樣品具有獨(dú)特的幾何特性，有助于傳輸特性研究和電子器件應(yīng)用。在柔性基底上制備出Fe(Se,Te)超導(dǎo)薄膜可以獲得性能優(yōu)異的超導(dǎo)長帶材，這有可能實現(xiàn)Fe(Se,Te)薄膜的工業(yè)化應(yīng)用。此外，F(xiàn)e(Se,Te)薄膜具有較好的超導(dǎo)性能，例如，Ahmad等[8]報道了FeSe0.6Te0.4薄膜具有Tc高達(dá)21 K的超導(dǎo)電性。因此，越來越多的團(tuán)隊關(guān)注Fe(Se,Te)薄膜的制備及相關(guān)的性能研究。目前已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報道了使用脈沖激光沉積(pulsed laser deposition, PLD)在一些單晶襯底制備了Fe(Se,Te)薄膜[8-11]。然而不同襯底上的Fe(Se,Te)薄膜性能表現(xiàn)各異，襯底對薄膜超導(dǎo)性能的影響機(jī)制尚不明確。相比于PLD，當(dāng)前使用磁控濺射制備Fe(Se,Te)薄膜的方法卻鮮有報道。Mousavi等[12]報道了用磁控濺射的方法在MgO襯底上制備了Fe(Se,Te)薄膜，分析了生長條件對薄膜結(jié)構(gòu)、形貌、成分的影響，但是并沒有出現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變[13]，隨后在不同的襯底溫度下，使用不同的靶材在MgO襯底上制備出了許多組分各異的Fe(Se,Te)薄膜，結(jié)果只有Fe1.01Se0.55Te0.45在10.2 K時出現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。Speller等[14]同樣使用磁控濺射的方法，在不同的襯底溫度下，使用不同的靶材在MgO和SrTiO3襯底上制備了Fe(Se,Te)薄膜，部分樣品在12.5 K時電阻出現(xiàn)了明顯轉(zhuǎn)變，但是轉(zhuǎn)變寬度較寬且在4.2 K以下電阻并沒有下降到零。磁控濺射鍍膜具有鍍膜致密均勻、結(jié)合力強(qiáng)、成本較低和適用于工業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是用來制備Fe(Se,Te)薄膜的有效途徑。

一般而言，采用PLD的方法制備Fe(Se,Te)薄膜時使用的是CaF2單晶襯底，與其他襯底(例如MgO、SrTiO3)相比，在CaF2襯底上制備的Fe(Se,Te)薄膜擁有更高的Tc和更好的超導(dǎo)性能[15]。因此，本文采用磁控濺射的方法制備Fe(Se,Te)薄膜時同樣使用CaF2單晶襯底，以期更有利于獲得具有超導(dǎo)性能的薄膜，并且研究不同的退火時間對薄膜微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌、組成成分及電輸運(yùn)性能的影響。

1 實 驗

1.1 薄膜生長

本實驗使用磁控濺射鍍膜機(jī)，在CaF2單晶襯底上濺射Fe(Se,Te)薄膜。CaF2單晶襯底由合肥科晶材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)，取向為(100)，厚度為0.5 mm。實驗所使用的Fe(Se,Te)靶材按照n(Fe)∶n(Se)∶n(Te)=1∶0.5∶0.5的比例充分研磨后熱壓燒結(jié)而成，燒結(jié)溫度為800 ℃，燒結(jié)壓強(qiáng)為25 MPa，燒結(jié)時間為2 h。磁控濺射靶和CaF2襯底固定在鍍膜機(jī)腔體相應(yīng)的位置，濺射時襯底溫度為320 ℃，濺射功率為80 W，濺射持續(xù)時間為1 h。磁控濺射的背底真空為5×10-4Pa，沉積時氬氣氣壓為0.2 Pa，氬氣流量為60 mL/min。濺射結(jié)束后腔體內(nèi)進(jìn)行氬氣退火處理，退火溫度為300 ℃，升溫速率為4 ℃/min，降溫速率為2 ℃/min。退火時氬氣氣壓為2 Pa，氬氣流量為80 mL/min。實驗上分別制備了退火0 h(未退火)、退火1 h、退火2 h和退火3 h的Fe(Se,Te)薄膜樣品。

1.2 性能測試

使用荷蘭帕納科公司的X射線衍射(XRD)儀分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu);采用日本電子公司的JSM 7800F場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)表征樣品的表面形貌，搭載的能譜 OXFROD X-Max 80用于進(jìn)行成分分析;薄膜的電輸運(yùn)特性通過美國Quantum Design公司的綜合物性測試系統(tǒng)來表征，采用標(biāo)準(zhǔn)的四引線法降溫測試，加載電流為1 000 μA，降溫速率為1 ℃/min，電阻值溫度點(diǎn)的采集為1.5 K/點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

Fe(Se,Te)薄膜的XRD圖譜(已去掉CaF2襯底的衍射峰)如圖1(a)所示。可以看到，不同退火時間的薄膜均已成相，結(jié)晶性較好，圖譜上出現(xiàn)了兩個較強(qiáng)的衍射峰，峰位與四方相β-Fe(Se,Te)的(001)、(002)衍射峰較為吻合，(003)和(004)衍射峰則太弱在圖上幾乎看不到。圖1(b)為(001)衍射峰的放大圖，隨著退火時間的增加，衍射峰位并沒有明顯的偏移。在衍射角約16°的位置出現(xiàn)了較弱的衍射峰，隨著退火時間從0 h增加到2 h逐漸消失，增加到3 h后再次出現(xiàn)，這個弱的衍射峰與β相FeSe的(001)衍射峰較為接近。薄膜樣品中可能存在FeSe與Fe(Se,Te)兩相共存，F(xiàn)eSe相的含量較少，退火2 h后消除了FeSe相。圖1(c)為采用布拉格方程計算晶格常數(shù)c與退火時間的關(guān)系，退火1 h后晶格常數(shù)c減小，之后隨退火時間的增加而增大，但從數(shù)值上看其變化的幅度很小(0.01以內(nèi))，這表明退火對薄膜的晶格幾乎沒有影響。圖1(d)給出了由謝樂公式計算得到的晶粒尺寸與退火時間的關(guān)系，隨著退火時間增加到2 h，晶粒尺寸減小，退火3 h晶粒尺寸增大。結(jié)合圖1(a)，晶粒尺寸的變化可能與薄膜中FeSe相的消失和再次出現(xiàn)有關(guān)。

2.2 形貌分析

圖2為Fe(Se,Te)薄膜的10 000倍SEM照片。從圖中可以看出，不同退火時間的薄膜樣品表面呈現(xiàn)出或密或疏的白色顆粒。隨著退火時間的增加，顆粒逐漸密集。這些顆?？赡苁浅上嗟腇e(Se,Te)晶粒聚集而成，而黑色空白區(qū)域可能是非晶態(tài)的Fe(Se,Te)，退火后薄膜表面生長出了更多的顆粒。

圖2 不同退火時間的Fe(Se,Te)薄膜SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of Fe(Se,Te) thin films for different annealing time

2.3 成分分析

Fe(Se,Te)薄膜的點(diǎn)掃描能譜圖(EDS)如圖3所示，對應(yīng)的元素比例由表1給出。由于不同元素的濺射速率各有差異，不同退火時間的薄膜樣品成分均與靶材的名義組分(n(Fe)∶n(Se)∶n(Te)=1∶0.5∶0.5)有一定的偏差。與靶材的名義組分相比，薄膜中Te的含量較少于Se，這是由于Te原子較重，濺射率較低，更難以濺射到襯底上。與未退火(退火0 h)的薄膜相比，退火后薄膜的Fe和Se含量略微有所減少，這有可能是退火過程中Fe和Se的微量揮發(fā)所致，退火后的各薄膜樣品成分比例幾乎沒有變化。

圖3 不同退火時間的Fe(Se,Te)薄膜EDS譜圖Fig.3 EDS spectra of Fe(Se,Te) thin films for different annealing time

表1 不同退火時間的Fe(Se,Te)薄膜元素比例Table 1 Element ratio of Fe(Se,Te) thin films for different annealing time

2.4 電輸運(yùn)特性分析

圖4為Fe(Se,Te)薄膜的電阻隨溫度變化(R-T)圖譜。不同退火時間的薄膜電阻整體上均隨溫度升高而降低，其中退火3 h的薄膜電阻明顯高于其他薄膜。薄膜的R-T圖譜表現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體特性，并沒有出現(xiàn)明顯的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，即在5～300 K的溫區(qū)范圍內(nèi)薄膜電阻并沒有急劇下降到0。在100～150 K的范圍內(nèi)電阻出現(xiàn)了較小的凸起部分，這有可能是薄膜樣品中存在Verwey相變[16]。成相的Fe(Se,Te)晶粒具有超導(dǎo)電性，但是這些晶粒之間可能存在非晶態(tài)的Fe(Se,Te)，晶粒無法連通在一起，從而電輸運(yùn)測量無法測試到超導(dǎo)信號。后續(xù)通過不斷地實驗探索，有可能會實現(xiàn)磁控濺射制備Fe(Se,Te)超導(dǎo)薄膜。

圖4 不同退火時間的Fe(Se,Te)薄膜電阻隨溫度變化Fig.4 Resistance of Fe(Se,Te) thin films for different annealing time varies with temperature

3 結(jié) 論

本文使用磁控濺射的方法在取向為(100)的CaF2單晶襯底上制備了Fe(Se,Te)薄膜，然后在氬氣氛圍下退火不同的時間。Fe(Se,Te)薄膜在退火2 h后FeSe相消失，退火3 h后晶粒尺寸明顯增大。退火時間越長，F(xiàn)e(Se,Te)薄膜表面的顆粒越密集，各元素的含量幾乎沒有變化。薄膜的電輸運(yùn)測量結(jié)果并沒有出現(xiàn)超導(dǎo)信號，而表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，這可能是成相的Fe(Se,Te)晶粒之間沒有導(dǎo)通所致。由于不同元素的濺射速率各有不同，薄膜實際成分與靶材名義組分存在差異，如何調(diào)控Fe(Se,Te)薄膜的元素比例并制備出具有超導(dǎo)性能的Fe(Se,Te)薄膜是后續(xù)需要解決的問題。