摘要

本文用原子力显微镜(AFM)对飞秒激光在超导\({\ mathm {YBa}}_{2}}{\ mathm {Cu}}_{3}}{\ mathm {O}}_{7}\)薄膜上制备的一系列微米和亚微米范围的缩窄进行了扫描。所产生的收缩的AFM图像被描述。制作的缩窄尺寸范围从1.24 μ m微米到亚微米范围内的812 nm。飞秒激光器的激光烧蚀光斑尺寸或直径设置为15.8µm，激光烧蚀光斑中心之间的距离在(16-17)µm之间变化，从而产生不同超导桥的不同收缩宽度。制造的微米和亚微米收缩的图像显示为目录在文章中。AFM图像给出了制造的收缩量子位的表面形态、尺寸和物理连续性。测量了收缩体的I-V特性，验证了制造的收缩体的电连续性和超导性。

介绍

本文利用飞秒激光1、2、3、4、5、6、7、8、9、10在超导YBCO (YBCO)11、12、13薄膜上制造微米和亚微米尺寸的缩孔。这些超导缩窄体可用作约瑟夫森结。14,15,16,17,18其他激光器19,20,21也已被用于制造超导缩窄体和约瑟夫森结。利用飞秒激光器制造超导腕尺的主要目的是由于其脉冲持续时间短。这种特殊的飞秒激光脉冲持续时间为22,23,24。飞秒激光的低脉冲持续时间有助于减少飞秒激光对超导薄膜的热加热或局部加热。这是非常重要的，因为超导材料对高温敏感，高温会导致薄膜的热降解，可以降低超导薄膜的临界温度。用于制造缩孔的飞秒激光系统由平移级进给速率、激光源的脉冲重复率或频率以及飞秒激光的自然脉冲持续时间组成。由此产生的整个飞秒激光系统的平均脉冲持续时间高于固有飞秒激光本身的脉冲持续时间。因此，薄膜发生了一些热加热。本文给出了制作微米和亚微米尺寸缩窄的图像目录。本文的独特贡献或创新之处在于，这一特定的一组或目录的AFM图像的收缩从未被描述过。电桥的I-V特性验证了AFM图像中显示的收缩的物理连续性，这表明该器件是超导的。该项目的主要目的是利用飞秒激光在超导YBCO薄膜上制造微米和亚微米尺寸的收缩。然后使用原子力显微镜(AFM)对这些缩窄物进行尺寸成像，并有可能随后用作超导桥或约瑟夫森结。电桥的I-V特性表明它们是超导的。本文包括“引言”部分，介绍了论文，“材料和方法”部分，简要描述了使用的方法，“结果”部分，给出了包括AFM图像在内的结果并讨论了论文，“收缩物/桥与AFM图像对齐的I-V特征”部分，将收缩物的I-V特征与其AFM图像对齐，以及“讨论和结论”部分，总结了论文。

材料与方法

飞秒激光装置

用于加工微米和亚微米尺寸收缩的飞秒激光脉冲持续时间为775纳米，波长为775纳米。飞秒激光系统由一个泵浦源组成，泵浦源是一个固态光纤耦合激光二极管，工作在。设计了一种以掺铒光纤作为放大器的单向偏振旋转加性脉冲锁模(APM)光纤激光器。因此，激光器的输出波长集中于。其功率输出范围为(0-1000)mW。为了制造收缩，它被设置为2.1 mW。这种功率输出水平有助于使激光烧蚀光斑尺寸更小，从而在微米和亚微米尺度上实现收缩。激光的频率或脉冲重复率设置为1khz。在样品加工过程中，保持YBCO薄膜的平移工作台的进给速度配置为20 mm/min或333。使用这些设置获得的激光烧蚀光斑尺寸为15.8。利用G-code软件控制平移台的移动，在16-17µm范围内改变激光烧蚀点中心之间的距离。因此，实现了宽度范围从1.248微米到812.4纳米的亚微米范围的收缩。这些收缩的宽度由公式1给出，公式来源于1,2

（1)

式中为缩窄宽度，为激光烧蚀光斑中心之间的距离，为激光烧蚀光斑尺寸。下面的图1a显示了在制造的一个收缩上描绘这些参数的示意图。

(a)制造的缩窄和局部加热的形状示意图。改编自Ref. 27。(b) YBCO薄膜上的12个缩窄，上排6个，下排6个。转载自参考文献27。

使用YBCO材料

用于制造收缩体的YBCO薄膜购自Ceraco GmBH，尺寸为。采用热反应共蒸发法制备了YBCO薄膜。所使用的YBCO的化学计量学特性是临界温度;临界电流密度为。薄膜单面用YBCO抛光，YBCO的厚度为;其余为基材，厚度为。所使用的衬底是铝酸镧(LAO)。上图1a中的收缩空间的维数为。这意味着用飞秒激光器在每张YBCO薄膜上制造了多达12个这样的缩窄，6个在薄膜的下排，6个在薄膜的上排，如图1b所示。

使用原子力显微镜(AFM)模型

原子力显微镜(AFM)28模型“Nanosurf FlexAFM 2011”如图2所示，用于扫描制造的收缩体表面并获得样品的地形图像。

原子力显微镜(AFM)。转载自参考文献27。

收缩的地形图像是使用AFM的攻丝操作模式创建的，其中AFM的悬臂尖端在样品表面上从左到右和向后反复移动。如图3所示，悬臂式尖端横向扫描收缩空间和激光烧蚀点，轻拍样品表面，并生成收缩的最终图像。采用攻丝方式，不破坏YBCO薄膜表面。

AFM的悬臂端扫描收缩空间。转载自参考文献27。

整体飞秒激光装置制造的约束

整个飞秒激光加工装置由激光源(泵浦激光二极管)、将激光束放大并准直的光束准直装置、反射镜、减小激光烧蚀斑尺寸的光圈或手动光圈、30毫米球面凸透镜和用于加工缩窄的YBCO薄膜的平移台组成。这种设置如图4所示。光圈或手动光圈直径被减小到允许激光束的中心核心继续聚焦光学。30mm球面透镜产生的激光烧蚀光斑尺寸为。平移台通过串行接口与计算机连接，计算机运行加工缩形件的程序。用G-code编程语言编写了加工缩形件的程序。入射到样品上的功率电平约为

整体框图描绘飞秒激光装置用于制造收缩。改编自Ref. 27。

目录

摘要 介绍 材料与方法 结果 我- - - - - - V与AFM图像对齐的缩窄/桥的特征 讨论与结论 数据可用性声明 参考文献 致谢 作者信息 道德声明 搜索 导航 #####

结果

下面的表1给出了用飞秒激光制造并用AFM扫描的收缩列表。表中给出了从微米级YBCO I到亚微米级YBCO VI的缩形。本节给出的结果显示了YBCO薄膜上一组新的微米级和亚微米级尺寸的缩形，具有新的尺寸，以及它们相应的AFM图像，这些图像在28中没有描述，以及对缩形的物理形态分析。激光烧蚀光斑尺寸设为。在g码编程中，激光烧蚀点之间的距离在(17 ~ 16)µm之间变化。功率特别设置为2.035 mW。因此，制造的缩窄宽度从(微米)到(亚微米)尺寸不等，遵循在G-code程序中应用的公式1来移动平移阶段。

Micron-YBCO I的AFM成像

用飞秒激光制作的微米级ybco I缩窄体，用AFM扫描后如图5所示。为制备微米- ybco I缩窄，将激光烧蚀光斑中心间距设置为，激光烧蚀光斑为，功率配置为。使用AFM扫描收缩，得到图5a中的地形线拟合，显示了收缩的宽度。图5b是幅值线拟合，显示了收缩的表面形态。图5c给出了收缩的三维图像。图5a中的地形线拟合通过测量收缩最窄处零轴上振幅的宽度来给出收缩的宽度，因为这是一个可变宽度的收缩。从三维成像和地形线拟合可以看出，飞秒激光对YBCO样品有一定的热加热或局部加热。在激光烧蚀点边缘的AFM图像中，较暗的阴影或色调证明了局部加热。上述图1也描绘了这种效应。为了得到这个收缩的图像，扫描区域被设置为。

(a) Micron-YBCO I的地形线拟合显示缩窄的宽度为。(b) Micron-YBCO I振幅线拟合显示轮廓。(c) Micron-YBCO I的三维AFM图

微米级ybco II的AFM成像

用飞秒激光制造并用AFM扫描的微米级ybco II缩窄如图6所示。收缩量设为，激光烧蚀光斑尺寸设为，功率设为。图6a中的地形线拟合显示收缩的宽度为。图6b为幅值线拟合，显示收缩体的表面平滑度;它也可以用来显示导电收缩的连续性。这种收缩是连续的。图6c给出了收缩的三维形状。图6a中的地形线拟合通过测量收缩最窄处零轴上方的振幅宽度来测量收缩的宽度。此缩窄的扫描区域设置为。

(a) Micron-YBCO II的地形线拟合显示缩窄的宽度(b) Micron-YBCO II的振幅线拟合显示轮廓。(c) Micron-YBCO II的三维AFM图

Micron-YBCO III的AFM成像

在制备micro - ybco III缩窄体时，设置为，激光烧蚀光斑尺寸为，激光功率配置为2.035 mW。图7a中的地形线拟合给出了缩窄的宽度为。图7b为收缩的幅度线拟合，图7c为收缩的三维图像。该收缩的扫描区域在AFM中设置为。

(a) Micron-YBCO III的地形线拟合显示了缩窄的宽度(b) Micron-YBCO III的振幅线拟合显示了轮廓。(c) Micron-YBCO III的三维AFM图

亚微米- ybco的AFM成像

亚微米- ybco IV缩窄为，激光烧蚀光斑尺寸为，激光功率为。图8a中的地形线拟合表明缩窄的宽度为。图8b显示了振幅线拟合，表明收缩是连续的，这是超导所必需的。图8c给出了缩窄的三维图像。用于导出图像的扫描区域为。

(a) SubMicron-YBCO IV的地形线拟合显示缩窄的宽度为。(b) sub微米- ybco IV振幅线拟合显示轮廓。(c)亚微米- ybco IV的三维AFM图

亚微米- ybco V的AFM成像

在亚微米- ybco V的制造过程中，其在g码中被降为。激光烧蚀光斑尺寸保持恒定。激光功率为。根据Eq. 1，图9a中地形线拟合给出的收缩宽度减小为。图9b的振幅线拟合显示收缩不是连续的。这是因为飞秒激光的衍射极限，其波长正在接近。在这一点上，它变得相当困难，使一个连续的收缩，而不剪裁与激光收缩的边界。要做到这一点，需要特殊的光学器件，如平凸透镜。图9c中的三维图像验证了收缩不是连续的。用于成像收缩的扫描区域为。

(a) SubMicron-YBCO V的地形线拟合显示缩窄的宽度;(b) SubMicron-YBCO V的振幅线拟合显示轮廓。(c)亚微米- ybco V的三维AFM图

亚微米- ybco的AFM成像

对于亚微米- ybco VI收缩在g代码中进一步减少到。激光烧蚀光斑尺寸保持在。激光功率为。因此，收缩的宽度减小到如图10a的地形线拟合所示。图10b显示了幅值线拟合，它给出了连续的收缩。收缩的三维图像如图10c所示。收缩的扫描区域设为。

(a) SubMicron-YBCO VI的地形线拟合显示了缩窄的宽度(b) SubMicron-YBCO VI的振幅线拟合显示了轮廓。(c)亚微米- ybco VI的三维AFM图。

我- - - - - -V与AFM图像对齐的缩窄/桥的特征

微米- ybco I缩窄的I- v特性

微米- ybco I缩窄的宽度为。微米- ybco I缩窄的I - v特性如图11所示。微米- ybco I缩窄的临界电流温度为如图11所示。收缩的AFM图像如图5所示，在图5b振幅线拟合中表明收缩在物理上是连续的。图11中收缩的I-V特性验证了这一点。这是因为I-V曲线表明该器件是超导的。因此，AFM图像可以显示物理连续性，然后可以使用相同收缩的I-V曲线来显示电连续性，并且该器件是超导的。

微米- ybco I缩窄的I - v特性。

微米- ybco II缩窄的I-V特性

微米- ybco II缩窄的宽度为。微米- ybco II缩窄的I-V特征如图12所示。微米级ybco II缩窄的临界电流在如图12所示的温度下。由于Micron-YBCO II缩窄宽度小于Micron-YBCO I缩窄宽度，临界电流减小。收缩的AFM图像如图6所示，在图6b振幅线拟合中表明收缩在物理上是连续的。图12中收缩的I-V特性验证了这一点。因此，AFM图像显示物理连续性，相同收缩的I-V曲线显示电连续性，该器件是超导的。

微米- ybco II缩窄的I-V特性。

我- - - - - -V微米- ybco III缩窄的特征

微米- ybco III缩窄的宽度为。Micron-YBCO III缩窄的I-V特征如图13所示。微米- ybco III缩窄的临界电流为如图13所示的温度。由于Micron-YBCO III缩窄宽度小于Micron-YBCO II缩窄宽度，临界电流再次减小。收缩的AFM图像如图7所示，在图7b振幅线拟合中表明收缩在物理上是连续的。图13中收缩的I-V特性验证了这一点。因此，AFM图像显示物理连续性，相同收缩的I-V曲线显示电连续性，该器件是超导的。

微米- ybco III缩窄的I-V特性。

讨论与结论

本文描述了用飞秒激光在超导YBCO薄膜上加工的收缩目录，并使用原子力显微镜(AFM)进行了描绘。飞秒激光具有非常低的脉冲持续时间，可以减少局部加热产生的收缩。由于在飞秒激光装置中存在平移台和特定脉冲频率的激光源等元件，使得激光在YBCO薄膜上的平均停留时间远远超过飞秒，并发生了一定的热降解。这可以从AFM图像中靠近激光光斑的YBCO薄膜上较深的阴影来证明。这些较深的阴影是激光在YBCO薄膜上局部加热的证据。在制备缩窄时，g码程序减小了激光烧蚀光斑之间的距离，同时保持激光烧蚀光斑尺寸不变。结果，制造的缩窄体的宽度减小到纳米级。这个结果用公式(1)来描述。使用g代码中的程序来制造微米和亚微米尺寸的设计方法的优点是，该方法在制造特定宽度的纳米级结构时提供了控制元素()。更强大的光学设备，如平凸聚焦透镜，可以用来实现纳米级结构。AFM产生的独特图像目录可以帮助确定微米、亚微米和纳米尺度上制造的收缩的物理连续性。收缩的AFM图像显示了物理连续性，I-V特性通过显示电连续性和设备是否超导来验证这一点。

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