近几十年来，由于全球变暖，清洁能源的需求已成为一个重要议题。超导体因其零能量损耗的导电能力，成为众多潜在解决方案之一。原子力显微镜（AFM）结合强大的分析软件，是表征此类材料的理想工具。

平坦面积比例的重要性

REBa 2 Cu 3 O 7 (RE – 稀土，Y) 涂层导体具有多层结构（图 1），由金属基底、几个缓冲层、REBCO 层以及 Cu 和 Ag 保护层组成。

图 1.  REBCO 涂层导体的结构。

由于锆掺杂二氧化铈（ CZO）超薄层（20-25 nm）与稀土钡铜（REBa₂Cu₃O₇₋ₓ ）超导带材的晶胞参数匹配度低，因此常被用作其覆盖层。所以，在沉积和生长REBCO层之前，对CZO层进行表面表征是至关重要的步骤。

“我们发现，除了粗糙度 (Sq) 之外，决定缓冲层表面质量的关键参数之一是平坦面积分数¹，”ICMAB 超导材料与大规模纳米结构系主任 Teresa Puig 教授解释道。“借助原子力显微镜 (AFM) 和MountainsSPIP®分析软件（原 SPIP ™软件），我们开发了一种通过缓冲层表面形貌测量来确定平坦面积分数的方法。”

根据地形确定平坦区域比例

使用配备 AppNano 硅探针（FORT 系列，施加力 100 nN）的 Agilent 5100 原子力显微镜，在轻敲模式下对 CZO 层表面进行了形貌研究。图像采用 MountainsSPIP® 软件进行处理。除了量化粗糙度外，该软件还可以计算表面平坦区域的比例。

首先，定义一个阈值高度值，高于该值的表面不被视为平坦。通常，考虑结构的三个晶胞。对于萤石型CZO，该阈值高度约为1.5 nm。基于此阈值，对整个AFM图像应用二值掩模。结果得到一幅双色图像，其中平坦区域以蓝色表示。

图 2. 均方根粗糙度 (a)、平坦度分数 (b) 以及通过 (a) (b) 图像的典型线扫描得到的轮廓，该图像是在 YSZ 衬底上生长的 20 nm CZO 层，适用于 REBCO 沉积。

采用金属有机分解法（MOD）在氧化钇稳定氧化锆（YSZ）单晶上生长CZO覆盖层。图2显示了适用于REBCO沉积的CZO层的表面特征（低Sq值和高平坦面积分数）。

图 3. 在不适合 REBCO 沉积的 YSZ 衬底上生长的 20 nm CZO 层的均方根粗糙度 (a) 和平坦度分数 (b)。

图 3 显示了一个不适合沉积 REBCO 层的 CZO 表面示例（Sq > 2 nm 且平坦面积分数 < 50 %）。

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结论：实现更优异的材料性能

“借助MountainsSPIP®软件，我们开发了一种通过构建二值形貌图像图来确定平坦区域分数的方法，从而能够精确计算该参数，”Teresa 总结道。“对大量薄膜样品进行深入分析后，我们得出结论：平坦区域分数高于 50% 时，YBCO 薄膜会呈现织构，且该值越高越好。该软件使我们能够更深入地研究和了解薄膜层的表面质量，从而提升材料的性能^{2 3}。”

参考

1 Coll M、Pomar A、Puig T 和 Obradors X 2008 原子级平坦表面：溶液衍生外延多层膜的关键问题Appl. Phys. Express 1 1217011–3. DOI: 10.1143/APEX.1.121701

2 Pop C、Villarejo B、Pino F、Mundet B、Ricart S、De Palau M、Puig T 和 Obradors X 2019 全化学高临界电流 YBa₂Cu₃O₇₋δ 厚膜和涂层导体的生长，《超导科学与技术》32，015004。DOI：10.1088 /1361-6668/aaea4e

3 C. Pop、P. Barusco、R. Vlad、A. Queralto、K. Gupta、B. Almog、A. Saraf、G. Deutscher、X. Granados、T. Puig 和 X. Obradors 2022 高临界电流溶液法制备的蓝宝石衬底上 YBa2Cu3O7 薄膜Supercond. Sci. Technol 35 054007。DOI ：10.1088/1361-6668/ac5be9

使用的仪器和软件

安捷伦 5100 AFM/SPM 显微镜 + MountainsSPIP ®软件。