高溫超導薄膜材料臨界電流密度測試系統及測試方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高溫超導薄膜材料性能測試領域，具體涉及一種高溫超導薄膜材料臨界電流密度的測試系統及測試方法。
【背景技術】
[0002]自1986年發現液氮溫區超導材料后，高溫超導材料(High TemperatureSuperconductor，簡稱HTS)及其應用得到了迅猛發展。HTS的應用可以分為強電領域的應用和弱電領域的應用。在弱電領域的應用包括利用HTS的微波表面電阻低這一特性，可用于研制高性能微波無源器件，如微波傳輸線、濾波器、諧振器、延遲線等，有些已非常接近實用化水平，并已經開始在衛星通訊、移動通訊地面基站、高靈敏度雷達接收機前端系統中得到了應用。而對于高溫超導材料質量的評判中，臨界電流密度是最重要的一個指標。
[0003]超導薄膜的臨界電流密度是指流過超導體單位橫截面上的臨界電流。目前并未看到可測量大面積樣品的設備，且通常測試端每次只能測試一處微橋，測試后需將樣品從液氮中取出，更換到下一處要測試的微橋，再放入液氮中測試，效率較低。
[0004]而針對大面積超導薄膜臨界電流密度的測量，目前普遍采用交流磁化率方法。例如德國THEVA公司生產的CRYOscan。該方法由于利用線圈產生交流磁場感應和磁感應探測，不需要電極接觸，不會破壞高溫超導薄膜。交流磁化率法必須利用四點法測試結果進行修正。即便如此，在出現微裂縫的情況下，該方法獲得的臨界電流密度是完全不可靠的。因此無法完全取代四點法。然而，目前普遍銷售的四點法測試系統都無法用于較大面積的超導薄膜樣品上多點臨界電流密度快速檢測。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是利用四點法原理，提供一種用于高溫超導薄膜材料上多點臨界電流密度的測試系統及測試方法。利用超導薄膜材料上電壓隨電流變化曲線，也稱作U-1曲線，從而由曲線找到超導薄膜突然失去超導特性的臨界點，即超導體的臨界電流Ic，用這個臨界電流Ic除以橫截面積就得到了臨界電流密度。這種方法是獲得臨界密度最直接和準確的方法。
[0006]本發明所述的一種高溫超導薄膜材料臨界電流密度的測試系統，如圖3所示，由計算機、納伏表、可編程直流電流源和探針臺組成；探針臺由固定板1、外殼2、測試板3和探針板4組成。
[0007]固定板I為方形，其結構如圖7所示，在其四角處設置有固定板螺孔8，其四個邊均為“凸”字型結構；探針板4的俯視圖如圖5，其為具有貫穿孔的方形塑料板，在其四角上設置有探針板螺孔11 ;探針為一柱狀金屬，頭部為圓頭，尾部可焊接導線，其頭部穿過探針板后露出，并用膠固定在探針板4上。外殼2的結構如圖4，可以看做是一個沒有頂面的方型箱體，箱體的四個側面上均設置有缺口，箱體的內部尺寸與固定板I的外部尺寸相匹配，缺口的寬度、厚度與固定板“凸”字型結構的尺寸相匹配，從而可以使固定板I從上向下無縫隙地放置在外殼2內，且固定板I及外殼2的側表面在同一平面上；在外殼2的底部設置有正方形缺口，該缺口的尺寸略小于固定板I和探針板4的尺寸；當探針板4由下至上用膠安裝在外殼2上時，可以使探針板4上的探針頭部6露出，高度應恰好達到外殼2側面缺口的下沿處，從而使安放后的固定板I與探針頭6之間無縫隙。由于探針內部具有彈簧結構，探針頭部6可伸縮，從而將樣品固定在固定板I和探針頭部6之間。在外殼2底部的四角上設置有螺孔5，其與固定板I上設置的固定板螺孔8、探針板4上設置的探針板螺孔11的位置相對應，可通過螺絲將固定板I與外殼2和探針板4固定在一起。
[0008]待測樣品為在襯底上制作的超導薄膜，薄膜上具有微橋結構10，微橋由左測試端、右測試端以及兩端間的長方形通道組成。探針板4和外殼2組裝后的俯視圖如圖6所示。在測試系統使用時，將樣品的超導薄膜的一面放置于探針頭部6上，樣品的襯底面由固定板I從上至下固定在外殼2上，即將固定板I對準外殼2由上而下放置后，通過固定板I上的螺孔8以及外殼2的螺孔5安裝螺絲，起到固定固定板I的作用，同時將樣品的超導薄膜與探針頭部6緊緊壓在一起。
[0009]測試板3為方形，其俯視圖如圖8所示。在其上設置有圓孔座排母7。圓孔座排母7貫穿于測試板3，其一端為圓孔狀，可插接可編程直流電流源的輸出端和納伏表的測試端，其另一端為金屬凸起，可焊接導線，該導線連接探針的尾部9，使得測試板3上的圓孔座排母7與探針板4上的探針頭部6有著一一對應的關系，從而完成固定板1、外殼2、測試板3以及探針板4的組裝，形成完整的探針臺。
[0010]每四個探針為一組，一組中四個探針頭部6的位置與一個微橋結構(10)的位置相對應；可編程直流電流源通過一組探針中的兩個在微橋結構(10)的左、右測試端間施加可編程的電流信號，納伏表通過同一組探針中的另外兩個測量同一微橋左、右測試端間的電壓信號，由計算機控制可編程直流電源提供電流信號，且實時記錄納伏表的測量值和可編程直流電源的輸出值，從而自動完成數據的記錄以及繪圖。如圖6所示，探針臺上有88根探針，可測量22處微橋而無需將探針臺及超導薄膜從液氮環境中取出，以第一排從左至右四個探針為例，左一和左四連接電流源，在其上施加可編程的電流源信號，左二和左三連接納伏表，用于測量微橋左右測試端間的電壓信號，左一左二對應超導薄膜微橋結構10的左測試端，左三左四對應超導薄膜微橋結構10的右測試端，從而實現四點法測量。
[0011]固定板I由有機玻璃制成，外殼2選用鋁質材料，測試板3為方形印刷電路板(PCB線路板)，探針板4由塑料板制成，探針選用凱達電子的P50-J1型探針，納伏表采用的是Keithiley2182A納伏表，可編程直流電源使用的是DP831A可編程線性直流電源。
[0012]高溫超導薄膜材料臨界電流密度的測試方法，具體步驟如下:
[0013](I)對在襯底上制備的超導薄膜進行光刻，光刻后在超導薄膜上形成如圖9所示的微橋結構10，多個微橋結構間由裸露的絕緣襯底分隔開，從而在測量各個微橋時，各微橋之間不會導通，不會相互影響。微橋結構的寬度僅取決于光刻板上微橋圖案的大小，因此由光刻板便可知所刻微橋結構的寬度d(即微橋圖形中的最窄處)；
[0014](2)利用臺階儀測量超導薄膜的厚度h，臺階儀探針經過裸露的襯底以及比襯底高的微橋結構，會在電腦中顯示出兩者間的高度差，從而得到超導薄膜的厚度h;
[0015](3)在光刻后的微橋上制作電極，電極覆蓋在微橋左右兩測試端，而微橋最窄處無金屬電極(如可通過蒸發金屬或者濺射金屬的方法制作電極)；
[0016](4)將待測的超導薄膜放入探針臺，微橋結構的兩端電極與探針頭部6對齊，左一、左二探針頭部6與微橋結構10的左端電極接觸，左三、左四探針頭部6與同一微橋結構10的右端電極接觸。利用固定板I將待測的超導薄膜由上而下壓在固定板I與探針頭部6之間，從而使微橋上的電極與探針頭部6具有良好的接觸；
[0017](5)將探針臺浸入液氮環境中，而測試板3及導線置于液氮環境之外；
[0018](6)將可編程電流源、納伏表與測試板3相連，測試板3上的測試點對應于探針板4上固定的要測量的微橋，隨后開始測量；
[0019](7)通過測試過程中計算機保存的電壓值和電流值，利用origin軟件作圖，在所做U-1曲線上找到失超電流Ic，臨界電流密度Jc = Ic/(d*h)，其中d為微橋