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研究快讯 | 氦离子注入制备的钇钡铜氧高温超导约瑟夫森结

已有 275 次阅读 2022-7-17 20:51 |系统分类:论文交流

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Received 22 April 2022; 

online 18 June 2022


EDITORS' SUGGESTION

High-Temperature Superconducting YBa2Cu3O7−δ Josephson Junction Fabricated with a Focused Helium Ion Beam

Ziwen Chen (陈紫雯), Yulong Li (李宇龙), Rui Zhu (朱瑞), Jun Xu (徐军), Tiequan Xu (徐铁权), Dali Yin (殷大利), Xinwei Cai (蔡欣炜), Yue Wang (王越), Jianming Lu (路建明), Yan Zhang (张焱), and Ping Ma (马平)

Chin. Phys. Lett. 2022, 39 (7): 077402

DOI: 10.1088/0256-307X/39/7/077402


文章亮点

通过利用聚焦氦离子束注入的方法来制备基于YBa2Cu3O7−δ(YBCO)的高温约瑟夫森结,系统探究了氦离子注入对结区势垒的调控,并首次证明了利用该方案来实现可在液氮温区工作的高性能高温约瑟夫森器件的可能性,制备出的结在液氮温区下显示出了显著的直流和交流约瑟夫森效应,并且结参数一致性明显优于传统的双晶结和台阶结,为未来大规模制备高性能高温超导约瑟夫森结阵列和相关电子学器件奠定了基础。


氦离子注入制备的钇钡铜氧高温超导约瑟夫森结


研究背景

制备出可重复性高和性能优异的约瑟夫森结是超导电子学器件大规模应用的基础。相比于低温超导约瑟夫森结已经商用化的发展进程,高温超导约瑟夫森结在制备技术方面发展得还不够成熟。传统的双晶结、台阶结等制备方案都难以在纳米尺度上保证结区性质的一致性,因此制备出的结参数的一致性普遍不高,限制了其大规模集成应用的可能性。近年来,随着氦离子显微镜这一技术的出现和发展,利用聚焦氦离子束注入这一新方法制备高温约瑟夫森结开始得到研究者们的关注。这种方法的原理如图1所示,通过高能量的、纳米尺度的聚焦氦离子束注入使得YBCO晶格内的氧发生错位或缺失,压制注入区域的超导序参量从而形成约瑟夫森结。该方法制备出的高温约瑟夫森结结区势垒层厚度可以控制在纳米量级,相比于传统采用掩膜进行的离子注入方法相比,结的一个重要的参数:特征电压得到很大的提高。同时理论上通过控制注入剂量可以精确控制结参数。另外,由于利用氦离子显微镜可以进行任意位置结的写入,同时还可以结合氧氛围高温退火实现结的重复擦写,制备灵活性较高。以上这些特点都使得利用该方法制备的结相比于传统方法,其参数一致性和性能的可控性大大提高。虽然利用氦离子注入的方法已经实现了一系列不同的约瑟夫森器件的制备,但是目前氦离子受到30 kV加速电压的限制,难以穿透到YBCO较深的地方,因此目前的研究所使用的YBCO薄膜厚度均在20-30 nm左右,远小于YBCO薄膜的穿透深度,超导转变温度一般远低于90 K,器件无法在液氮温区工作。实现可工作在液氮温区的高温器件的制备的研究目前仍处于空白阶段,需进一步探索。

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图1. 氦离子显微镜聚焦氦离子注入形成约瑟夫森结的原理示意图。


内容简介

近日,北京大学物理学院、北京大学应用超导研究中心的马平、张焱和北京大学电镜中心的徐军、朱瑞课题组合作,利用氦离子显微镜注入的方法,系统研究了氦离子注入对约瑟夫森结性能的影响,并首次证实了利用该方法制备出可在液氮温区工作的高性能高温约瑟夫森器件的可能性。他们首先制备出50 nm厚的高质量YBCO薄膜,通过氦离子显微镜的线扫模式,使用较低的氦离子注入剂量(100-300 ions/nm)制备出了约瑟夫森结。他们通过电性测量对所制备结的超导转变和拖尾电阻进行比较,发现可以通过注入剂量调节结区势垒,从而改变结的约瑟夫森耦合能,这是实现约瑟夫森结性质精确调控的基础。利用热激活相位滑移理论对样品的电阻-温度曲线进行分析,结合不同温度下结参数的变化,发现在这一剂量范围内所制备的结均展示出超导-正常金属-超导(SNS)结的行为。进一步地,他们在液氮温度(77 K)下对结的伏安特性进行研究,在微波辐照下,该剂量区间的结均展现出了明显的交流约瑟夫森效应(夏皮诺台阶),如图2所示。并且发现在相同微波功率下,注入剂量越大,交流约瑟夫森效应越容易被压制,这也显示出了氦离子剂量对结性质精确调控的效果。最后,他们还发现利用该方法制备的结参数差异性可以控制在10%以内。


研究意义和重要性

该工作详细研究了不同剂量氦离子注入对结性能的调控,证实了基于氦离子注入结的高温超导约瑟夫森器件在液氮温区工作的可能性,填补了研究的空白,对未来指导制备液氮温区工作的高性能约瑟夫森器件具有重要意义。另外,本文初步证明了,采用该方法制备出的结,其参数控制可实现低于10% 的离散性,明显优于传统的双晶结和台阶结,为未来利用该方法制备高密度的高温超导约瑟夫森结阵列、实现高动态范围器件的大规模应用奠定了基础。


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图2. 注入结不同微波功率辐照下的夏皮诺台阶和其dI/dV的变化图。dI/dV图中的白色线代表不同台阶阶数随微波的变化。


该论文的第一作者为北京大学物理学院博士研究生陈紫雯,张焱和马平老师为论文共同通讯作者。


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