Film di NbN su substrati dielettrici flessibili e a spessore controllabile

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10662 (2022) Citare questo articolo

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È stato sviluppato un metodo semplice per preparare film sottili superconduttori di NbN su substrati dielettrici flessibili con spessore controllabile. La struttura, le caratteristiche superficiali e le proprietà superconduttrici del film flessibile sono state studiate mediante diffrazione di raggi X (XRD), microscopia a forza atomica (AFM) e sistema di misurazione delle proprietà fisiche (PPMS). Abbiamo scoperto che i film di NbN sul substrato flessibile mostrano determinati orientamenti preferiti attraverso l'effetto auto-tamponante dello strato amorfo di NbN. La temperatura di transizione superconduttiva a resistenza zero (TC0) per pellicole di NbN spesse 10 nm è 8,3 K, e la TC0 per pellicole di NbN spesse 30 nm in un campo magnetico di 9 T rimane superiore a 7 K. Questa pellicola flessibile può essere trasferita su qualsiasi substrato e adattato a diverse applicazioni di forma. Può anche essere ulteriormente trasformato in dispositivi superconduttori flessibili monostrato o multistrato.

Il film superconduttore di nitruro di niobio (NbN) ha una temperatura di transizione superconduttiva (Tc) relativamente elevata e un'elevata densità di corrente critica1. Pertanto, i film di NbN sono stati ampiamente utilizzati nei dispositivi elettronici superconduttori, in particolare per rilevatori estremamente sensibili come i bolometri a elettroni caldi2, 3 e i rilevatori di fotoni singoli a nanofili superconduttori4, 5. I substrati sono uno dei fondamenti per la preparazione dei film di NbN e influenzano direttamente la superconduttività dei la pellicola e l'accoppiamento di dispositivi e onde elettromagnetiche. NbN viene solitamente preparato su MgO6, Al2O37, GaAs8, silicio (Si)9 e altri substrati. La scelta del substrato mira principalmente a migliorare le prestazioni del dispositivo e ad adattarsi alla situazione applicativa. Anche la mancata corrispondenza del reticolo tra il substrato e la pellicola può influire direttamente sulle prestazioni della pellicola e del dispositivo. È possibile utilizzare strati tampone tra il substrato e la pellicola10 per risolvere in una certa misura il disadattamento e migliorare le prestazioni di pellicole e dispositivi NbN. Lo spessore del substrato influisce sull'efficienza di accoppiamento del dispositivo e del segnale dell'onda elettromagnetica, soprattutto nella banda di frequenza terahertz dove lo spessore del substrato e la lunghezza d'onda elettromagnetica sono simili e può verificarsi un effetto di interferenza tra il substrato e la pellicola11. Per ridurre l'effetto di interferenza e la perdita del substrato, è possibile utilizzare processi di incisione per ridurre lo spessore del substrato12,13,14. Tuttavia, la resistenza meccanica dei substrati rigidi verrà notevolmente ridotta con l'assottigliamento dello spessore del substrato e diventeranno molto fragili. L'uso di substrati flessibili può evitare tali problemi. Inoltre, la crescita di film superconduttori su substrati flessibili può essere utilizzata anche nella preparazione di dispositivi a struttura multistrato15,16,17,18.

Per schermare i campi magnetici esterni vengono spesso utilizzati materiali altamente conduttivi, ma la frequenza del campo magnetico esterno deve essere sufficientemente elevata (> 1 kHz)19; la permeabilità magnetica dei materiali conduttivi sarà piuttosto scarsa alle basse temperature poiché la profondità della pelle δ è piuttosto ampia alle basse frequenze. A frequenze inferiori a 1 kHz e in ambienti a bassa temperatura, i superconduttori schermano i campi magnetici in modo più efficace rispetto ai materiali ferromagnetici a causa delle loro forti proprietà diamagnetiche. Quando un materiale superconduttore viene raffreddato al di sotto della temperatura di transizione di fase Tc, i materiali superconduttori espellono i campi magnetici generando correnti di schermatura che si oppongono al campo magnetico esterno, chiamato effetto Meissner. Per una schermatura magnetica efficiente sono necessari film superconduttori con un'elevata densità di corrente critica, sufficiente resistenza meccanica e duttilità19, 20. L'efficacia dello scudo dipende anche dalla qualità del materiale, dalla microstruttura e dalla forma19. YBCO20, MgB221, 22 e altri film superconduttori sono stati utilizzati in applicazioni pratiche. MgB2 con una densità di corrente critica di 30 kA cm−2 e un campo magnetico critico di 12,8 T può raggiungere una schermatura del campo magnetico di 2 T a 4,2 K21.