纳米多孔结构Nb基超导薄膜的制备及输运特性研究

摘要

近年来，在许多关系到国计民生的战略领域如量子科学等都希望在单光子探测研究上有所突破，目前研究最为广泛的是超导纳米线单光子探测器，但这一器件的制备很是依赖于器件制备所需的超导材料和刻线工艺的进展，其原理是基于薄膜材料从超导态到金属态转变实现探测，对单光子探测器的深入发展制约较大。目前许多课题组开展了对超导绝缘相变的研究，这为单光子器件制备提供了一种新的思路，即由绝缘态到金属态转变实现探测，避免了之前探测原理对薄膜材料超导性能的依赖即制备的薄膜太薄容易失去超导性能而薄膜太厚影响器件探测效率。因此，本论文选择通过对纳米多孔铌基超导薄膜的制备和输运特性的研究，探究了在铌基超导薄膜上实现超导绝缘相变的两种方式。主要内容如下： 首先利用直流磁控溅射方法在硅衬底和氧化镁衬底上制备铌和氮化铌超导薄膜，通过对制备参数摸索，最终重复且稳定制备了膜厚为17.9 nm，超导转变温度为7.60 K，均方根粗糙度为0.32 nm的铌薄膜和11 nm厚，超导转变温度为13.5 K，均方根粗糙度为0.54 nm的氮化铌薄膜。并且能够稳定制备6 nm厚且超导转变温度为9.4 K的高质量超薄氮化铌薄膜。 其次通过在单晶硅上使用多孔氧化铝模板和反应离子束刻蚀相结合，通过刻蚀构建纳米多孔硅衬底，然后使用探索好的参数在多孔硅衬底上制备铌薄膜。溅射不同时间制备不同厚度的铌膜，对其进行输运测试，结果显示膜厚可以对具有多孔结构的薄膜产生调控作用：膜厚越薄，调控作用越强，越容易实现绝缘相变；膜厚越厚，易连接孔与孔之间三角区域形成局域超导的岛，使体系成为超导态。溅射80秒制备的铌薄膜电输运结果取对数显示其为金属态。 最后在制备的质量较好的氮化铌膜上构建多孔结构，改变刻蚀时间，通过刻蚀时间不同而产生的孔壁厚不同探究孔壁厚对氮化铌膜超导绝缘相变的调控作用。输运测试结果显示，不同刻蚀时间电输运的结果会有超导态到绝缘态的一个转变过程，磁输运结果表明了中间态的样品具有磁阻震荡现象，且震荡周期与理论计算所得周期相吻合，表明了存在的磁阻震荡现象为库珀对的量子磁通震荡。

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