Пленки NbN на гибких диэлектрических подложках с регулируемой толщиной.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 10662 (2022) Цитировать эту статью

1101 Доступов

Подробности о метриках

Разработан простой метод изготовления тонких сверхпроводящих пленок NbN на гибких диэлектрических подложках контролируемой толщины. Структуру, поверхностные характеристики и сверхпроводящие свойства гибкой пленки исследовали методами рентгеновской дифракции (РФА), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и системы измерения физических свойств (ППМС). Мы обнаружили, что пленки NbN на гибкой подложке демонстрируют определенную предпочтительную ориентацию благодаря эффекту самобуферизации аморфного слоя NbN. Температура перехода в сверхпроводимость нулевого сопротивления (TC0) для пленок NbN толщиной 10 нм составляет 8,3 К, а температура перехода в сверхпроводимость нулевого сопротивления (TC0) для пленок NbN толщиной 30 нм в магнитном поле 9 Тл остается выше 7 К. Эту гибкую пленку можно перенести на любую подложку и адаптированы к различным формам применения. Его также можно перерабатывать в однослойные или многослойные гибкие сверхпроводящие устройства.

Сверхпроводящая пленка нитрида ниобия (NbN) имеет относительно высокую температуру сверхпроводящего перехода (Tc) и высокую критическую плотность тока1. Таким образом, пленки NbN широко используются в сверхпроводящих электронных устройствах, особенно для чрезвычайно чувствительных детекторов, таких как болометры горячих электронов2, 3 и сверхпроводящие нанопроволочные детекторы одиночных фотонов4, 5. Подложки являются одной из основ изготовления пленок NbN и напрямую влияют на сверхпроводимость пленка и связь приборов и электромагнитных волн. NbN обычно изготавливают на MgO6, Al2O37, GaAs8, кремнии (Si)9 и других подложках. Выбор подложки в основном направлен на улучшение производительности устройства и соответствие ситуации применения. Несоответствие решеток подложки и пленки также может напрямую влиять на характеристики пленки и устройства. Между подложкой и пленкой10 можно использовать буферные слои, чтобы в некоторой степени устранить несоответствие и улучшить характеристики пленок и устройств из NbN. Толщина подложки влияет на эффективность связи устройства и сигнала электромагнитной волны, особенно в терагерцовом диапазоне частот, где толщина подложки и длина волны электромагнитного излучения аналогичны, и может возникнуть эффект интерференции между подложкой и пленкой11. Чтобы уменьшить эффект интерференции и потери подложки, можно использовать процессы травления для уменьшения толщины подложки12,13,14. Однако механическая прочность жестких подложек значительно снижается с уменьшением толщины подложки, и они становятся очень хрупкими. Использование гибких подложек позволяет избежать подобных проблем. Более того, рост сверхпроводящих пленок на гибких подложках также может быть использован при изготовлении устройств с многослойной структурой15,16,17,18.

Для экранирования внешних магнитных полей часто используются материалы с высокой проводимостью, но частота внешнего магнитного поля должна быть достаточно большой (> 1 кГц)19; магнитная проницаемость проводящих материалов будет весьма плохой при низких температурах, поскольку глубина скин-слоя δ довольно велика на низких частотах. На частотах ниже 1 кГц и в низкотемпературных средах сверхпроводники экранируют магнитные поля более эффективно, чем ферромагнитные материалы, из-за их сильных диамагнитных свойств. Когда сверхпроводящий материал охлаждается ниже температуры фазового перехода Tc, сверхпроводящие материалы вытесняют магнитные поля, генерируя экранирующие токи, противодействующие внешнему магнитному полю, что называется эффектом Мейснера. Для эффективного магнитного экранирования необходимы сверхпроводящие пленки с высокой критической плотностью тока, достаточной механической прочностью и пластичностью19, 20. Эффективность защиты также зависит от качества материала, микроструктуры и формы19. YBCO20, MgB221, 22 и другие сверхпроводящие пленки нашли практическое применение. MgB2 с критической плотностью тока 30 кА/см2 и критическим магнитным полем 12,8 Тл может обеспечить экранирование магнитного поля 2 Тл при 4,2 К21.