Ион

Apr 23, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6315 (2023) Цитировать эту статью

711 Доступов

Подробности о метриках

Нитрид титана представляет интерес для многих сверхпроводящих устройств, таких как нанопроволочные микроволновые резонаторы и детекторы фотонов. Таким образом, контроль роста тонких пленок TiN с желаемыми свойствами имеет большое значение. Целью этой работы является изучение эффектов ионно-лучевого распыления (IBAS), когда наблюдалось увеличение номинальной критической температуры и верхних критических полей, что соответствует предыдущим работам по нитриду ниобия (NbN). Мы выращиваем тонкие пленки нитрида титана как традиционным методом реактивного магнетронного распыления постоянного тока, так и методом IBAS, чтобы сравнить их критические температуры сверхпроводимости \(T_{c}\) в зависимости от толщины, поверхностного сопротивления и скорости потока азота. Мы проводим электрические и структурные характеристики с помощью электротранспорта и рентгеновских дифракционных измерений. По сравнению с традиционным методом реактивного распыления метод IBAS продемонстрировал увеличение номинальной критической температуры на 10% без заметного изменения структуры решетки. Кроме того, мы исследуем поведение сверхпроводимости \(T_c\) в сверхтонких пленках. Тенденции в пленках, выращенных при высоких концентрациях азота, соответствуют предсказаниям теории среднего поля в неупорядоченных пленках и показывают подавление сверхпроводимости \(T_c\) из-за геометрических эффектов, тогда как нитридные пленки, выращенные при низких концентрациях азота, сильно отклоняются от теоретических моделей.

TiN тщательно изучался на предмет его многочисленных полезных механических, электрических и оптических свойств. При изготовлении сверхпроводящих устройств, таких как нанопроволочные микроволновые резонаторы и детекторы фотонов, TiN служит важным материалом для фундаментальных структур в квантовых электрических схемах, таких как резонаторы, используемые для мультиплексирования больших массивов кубитов1. Было показано, что TiN соответствует критериям, необходимым для квантовых вычислений и обнаружения фотонов, таким как низкие радиочастотные потери как при высокой, так и при низкой мощности возбуждения, высокая кинетическая индуктивность и настраиваемая \(T_{c}\)1,2,3,4, 5,6,7,8. Кроме того, как сверхпроводящий нитрид, TiN обладает высокой сверхпроводимостью \(T_{c}\) по сравнению с элементарным Ti и Ti\(_{2}\)N для высокостехиометрических фаз. Это твердый, механически прочный и стабильный материал9,10,11,12. Состав осаждаемых соединений TiN\(_{x}\) можно варьировать, изменяя поток реактивного газообразного азота, присутствующего во время изготовления, причем изменение концентрации азота не только настраивает сверхпроводимость \(T_{c}\), но и изменяет кристаллическую структуру пленки и кинетическую индуктивность12,13.

При самых низких концентрациях азота первоначально образуется фаза \(\alpha \)-Ti, в которой азот внедрен межузельно. При небольшом увеличении содержания азота существует атомная доля азота, которая образует фазу Ti\(_{2}\)N, которая, как известно, подавляет \(T_{c}\) в соединениях Ti-N14. Далее, в режиме более высокого потока азота, TiN становится наиболее преобладающим и стабильным соединением15. Может образоваться смесь фаз TiN (111) и TiN (002). TiN (002) представляет собой ориентацию с более низкой поверхностной энергией и образует более эластичные зерна по сравнению с TiN (111), однако многие параметры осаждения могут способствовать предпочтительному росту любой ориентации, например, давление осаждения, смещение/температура подложки, поток ионов, и состав газа14,16,17. Выращивание TiN можно проводить с использованием различных методов физического осаждения из паровой фазы (PVD), включая распыление, испарение и молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE).

MBE позволяет выращивать высокостехиометрические и упорядоченные многокомпонентные пленки, такие как TiN, при низких температурах в среде сверхвысокого вакуума18, в то время как использование реактивного распыления или испарения способствует созданию более поликристаллической и аморфной структуры решетки. Последние методы обеспечивают более быстрый рост и более высокую производительность за счет меньшего контроля над кристаллической структурой во время осаждения. Однако напыление и испарение по-прежнему позволяют выращивать пленки высокого качества с желаемыми характеристиками путем подбора параметров осаждения9.