초전도체의 전자빔 증발 - 주식회사 체리블라썸

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7786(2022) 이 기사 인용

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우리는 가열되지 않은 열 산화 Si 기판에 대한 전자빔 증발에 의해 제작된 초전도체-강자성체 이종 구조의 전자 및 자기 특성에 대해 보고합니다. 다결정 Nb 박막(두께 5~50 nm)은 안정적으로 높은 초전도 임계 온도(\(T_{c}\))를 갖는 것으로 나타났으며 이는 필름의 잔류 저항률(RRR)과 잘 연관되어 있습니다. 이러한 특성은 현장 어닐링 중에 개선되어 \({\Delta }T_{c}\) 및 \({\Delta }\)RRR이 최대 2.2K(\(\sim\) 사전의 40% 증가했습니다. -어닐링된 \(T_{c}\)) 및 0.8(\(\sim\) 사전 어닐링된 RRR의 60%). Nb/Pt/Co/Pt 이종 구조는 Pt(0.8 nm)/Co(1 nm)/Pt(0.6 nm)의 극한 한계에서도 초박 한계(≤ 2.5 nm)에서 실질적인 수직 이방성을 나타냈습니다. 이러한 결과는 가시선 증착, 낮은 두께, 고품질 Nb 기반 초스핀트로닉 다층에 대한 경로로 전자빔 증발을 사용한다는 것을 나타냅니다.

초전도체(S)-강자성체(F) 이종구조는 스핀-삼중항 생성1,2,3,4 및 조정 가능한 거시적 위상차5,6,7가 있는 초전류와 같은 수많은 현상을 밝혀냈으며 이러한 단계 간의 상호 작용에 대한 이해를 계속해서 심화시키고 있습니다. 특히 인터페이스8,9에서. 평형 상태에서 평면을 벗어나도록 F 층을 구동하는 수직 자기 이방성(PMA)이 계면 이방성을 통해 F 층 내에 통합되면 초전도 스핀 전자 장치(슈퍼스핀트로닉스)를 기반으로 극저온 메모리 후보가 나타납니다. . 확장 가능한 극저온 메모리 셀의 이전 예는 다중 평면 내 F 레이어6,11,12,13에 중점을 두었습니다. 이러한 형상을 더욱 수정하면 F 층이 직교 이방성과 함께 사용되는 혼합 이방성 층을 사용하여 SFNF 층에서 장거리 삼중항 전류의 보존을 연구하기 위한 자기 불균일성을 생성할 수도 있습니다. 여기서 N은 일반 금속을 나타냅니다. . 이 목표를 위해 특히 다층 필름에서 상당한 크기의 PMA와 신뢰할 수 있는 임계 초전도 온도 \({T}_{c}\)를 동시에 달성하는 SF 이종구조의 근본적인 개발 작업이 계속되고 있습니다. Nb/Pt/Co 층은 Pt/Co 인터페이스를 통해 이방성이 조정되고 불균일한 자기 텍스처가 생성되는 원형 시스템을 나타냅니다. 그러나 이 시스템에서도 특히 통합될 때 Pt, S-N 근접 효과 및 패터닝 효과의 큰 스핀 궤도 결합에 의해 억제되지 않는 상당한 PMA 및 \({T}_{c}\)를 모두 갖춘 이종 구조를 개발하기 위한 작업이 남아 있습니다. 장치에.

Nb는 상당히 복잡하지 않은 정상 및 초전도 단계뿐만 아니라 상대적으로 간단한 박막 제조 경로의 이점을 누릴 수 있기 때문에 선택되는 초전도 재료인 경우가 많습니다. 가장 널리 사용되는 방법은 스퍼터링 증착23,24,25입니다. 초고진공(UHV) 하에서의 스퍼터링은 고품질의 박막과 이종 구조 구축을 위한 쉬운 경로를 제공하지만, 이 기술은 마스크 기반 리소그래피의 증착 각도 이방성이 좋지 않기 때문에 나노패터닝과 통합하기가 더 어렵습니다. 템플릿. 따라서 잠재적인 3D 슈퍼스핀트로닉 장치를 고려하는 등 얇은 SF 이종구조를 처리할 때 여러 장치 응용 프로그램에서 대체 기술을 탐색하는 것이 여전히 유리합니다. 전자빔 증발(EBE)과 같은 대체 물리적 기상 증착 방법은 잠재적인 접근 방식을 제공합니다. UHV EBE는 이전에 안정적으로 높은 \(T_{c}\)26,27로 부드러운 Nb 박막을 생성하는 것으로 나타났습니다. 특히 UHV EBE는 템플릿 리소그래피, 포지티브 레지스트(리프트 오프) 패터닝, 경사각 증착 방법 및 3D 스캐폴드 성장에 이상적으로 적합한 매우 이방성인 가시선 증착을 제공합니다.

4 K, even in the thinnest (\(t_{Nb}\) = 5 nm) films measured. We then anneal ex-situ and under high vacuum conditions at temperatures ranging 300–600 \(^\circ\)C in order to optimise \(T_{c}\). Following this, we explore S-F heterostructures using ultrathin Pt/Co/Pt as an F layer, with Pt and Co thicknesses chosen to generate significant PMA, illustrating EBE-grown Nb to be a suitable seed layer for achieving PMA at room and low temperatures. As EBE is amenable to thin films and line-of-sight deposition, this affords the opportunity to better study interfaces, tunnelling effects and patterned devices (including glancing angle deposition coating for 3D superspintronics). Despite the prevalence of sputtered PMA heterostructures and superconducting spintronic device, here we demonstrate that EBE is a useful technique in generating low-thickness, high quality superspintronic multilayers./p> 4 K in all cases. For a given sample series (for example, Nb films capped with Al and annealed at 300 °C constitute a sample series) there is a broad trend which shows \(T_{c}\) to increase on increasing \(t_{Nb}\). This is also found to be the case when comparing RRR to \(t_{Nb}\) and has been observed in previous studies25,26,27,35,36. For completeness, also shown in Fig. 3a are the resulting \(T_{c}\) values for the S/F heterostructures discussed later in this work [Nb(\(t_{Nb}\))/Pt(2)/Co(0.8)/Pt(1.5)]. Proximity-induced \(T_{c}\) suppression is clear in these samples, with \(\sim\) 1 K reduction in \(T_{c}\), when compared with the lone Nb films./p> 100 and \(T_{c} =\) 9.2 and 8.7 K, respectively39. NaCl substrates allow for (001) oriented epitaxial growth, with ultrathin (\(t_{Nb} =\) 4 to 100 nm) films displaying RRR between 1 and 5 and \(T_{c}\) ranging between 2 and 8.5 K27. Similarly, epitaxial thin films grown on (0001) Al2O3 display RRR = 6, with \(T_{c} =\) 9.1 K for \(t_{Nb} >\) 40 nm, down to RRR ~ 1.5 and \(T_{c} =\) 6.5 K at \(t_{Nb} =\) 10 nm 25. In thicker films, regardless of choice of Al2O3 orientation, RRR has been generally found to exceed 90, with \(T_{c}\) approaching bulk values, \(T_{c} \sim\) 9.2 K40. Clearly, depending on substrate choice and growth parameters, a wide variation in transport properties can be displayed, however, we naturally see a reduced RRR and \(T_{c}\) across all thicknesses tested for our polycrystalline films. Despite the generally larger RRR and \(T_{c}\), the trends in Fig. 3 nevertheless match the low thickness (\(t_{Nb} \le 15\) nm) epitaxial system behaviour closely, particularly, in Jiang et al.27, potentially pointing to a dominance of finite size effects, such as weak localisation, lifetime broadening and surface scattering. While these \(T_{c}\) values are reduced compared with epitaxial systems, they show clear consistency with polycrystalline films and growth on Si substrates. There, structural disorder and finite size effects are consistently found to suppress RRR and \(T_{c}\)26,41,42,43\(,\) giving quantitatively similar dependence on \(t_{Nb}\) as seen here./p>\) 500 °C46 and initiation of recrystallisation on macroscopic lengths is only observed above 900 °C47. This observation is also in agreement with the observed annealing dependence of transport measurements in Fig. 3: Above \(T_{A} =\) 300 °C, little further improvement in RRR is seen, which suggests RRR (and \(T_{C}\)) become limited by finite size effects and/or grain boundary and surface scattering between 300 and 500 °C42,43. Indeed, a similar finding was observed in a previous study46 of sputtered Nb thin films in which ex-situ annealing, under comparable pressures and temperatures to those seen here, was performed. Using a Mayadas-Shatzkes resistivity model for polycrystalline thin film metals48, Lacquaniti et al. demonstrated reductions in RRR to be the result of oxygen diffusion in to the Nb grains46, as appears to be the case here. Looking to the \(t_{Nb}\) = 5 nm samples, \(T_{c}\) and RRR consistently decrease with increasing anneal temperature, which would suggest oxidation of the Nb grains throughout the thickness of the \(t_{Nb}\) = 5 nm film, again consistent with both XPS data and Ref.46./p>\) 500 nm, i.e \(. \lambda \gg t_{Nb}\) and any interfacial excess O penetrates throughout the Nb film, rapidly reducing \(T_{c}\) and RRR./p>