Электронно-лучевое испарение сверхпроводника

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 7786 (2022) Цитировать эту статью

1615 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Сообщается об электронных и магнитных свойствах гетероструктур сверхпроводник-ферромагнетик, изготовленных методом электронно-лучевого испарения на ненагреваемых термически окисленных подложках Si. Показано, что тонкие пленки поликристаллического Nb (толщиной от 5 до 50 нм) обладают достоверно высокими критическими температурами сверхпроводимости (\(T_{c}\)), которые хорошо коррелируют с коэффициентом остаточного удельного сопротивления (RRR) пленки. Эти свойства улучшились во время отжига ex-situ, что привело к увеличению \({\Delta }T_{c}\) и \({\Delta }\)RRR на 2,2 K (\(\sim\) 40% от исходного значения. -отожженный \(T_{c}\)) и 0,8 (\(\sim\) 60% предварительно отожженного RRR) соответственно. Гетероструктуры Nb/Pt/Co/Pt показали существенную перпендикулярную анизотропию в ультратонком пределе (≤ 2,5 нм), даже в крайнем пределе Pt(0,8 нм)/Co(1 нм)/Pt(0,6 нм). Эти результаты указывают на использование электронно-лучевого испарения в качестве пути к нанесению на прямой видимости высококачественных суперспинтронных многослоев малой толщины на основе Nb.

Гетероструктуры сверхпроводник(S)-ферромагнетик(F) выявили многочисленные явления, такие как образование спин-триплетов1,2,3,4 и сверхтоки с настраиваемыми макроскопическими разностями фаз5,6,7, и продолжают углублять наше понимание взаимодействия между этими фазами. особенно на интерфейсах 8,9. Когда перпендикулярная магнитная анизотропия (ПМА), которая заставляет F-слой выходить из плоскости в равновесии, интегрируется в F-слой, например, посредством межфазной анизотропии, появляется кандидат на криогенную память на основе сверхпроводящей спиновой электроники (суперспинтроника)10 . Предыдущие примеры масштабируемых криогенных ячеек памяти были сосредоточены на нескольких плоскостных F-слоях6,11,12,13. При дальнейшем пересмотре этой геометрии слои смешанной анизотропии, где слои F используются с ортогональной анизотропией, также могут быть использованы для создания магнитной неоднородности для изучения сохранения дальнодействующих триплетных токов в слоях SFNF14,15,16, где N представляет собой нормальный металл. . С этой целью продолжаются работы по фундаментальному развитию таких SF-гетероструктур10,17,18,19, в частности, по одновременному достижению значительного PMA и надежной критической сверхпроводящей температуры \({T}_{c}\) в многослойных пленках. Слои Nb/Pt/Co представляют собой прототип системы, в которой анизотропию можно настраивать через интерфейс Pt/Co и генерировать неоднородную магнитную текстуру по желанию10,18,20. Однако даже в этой системе еще предстоит разработать гетероструктуры как с большим PMA, так и с \({T}_{c}\), не сдерживаемым большим спин-орбитальным взаимодействием в Pt, эффектами близости S–N21 и эффектами формирования паттерна22, особенно при интегрировании в устройства.

Nb часто является предпочтительным сверхпроводящим материалом, поскольку он имеет довольно несложные нормальные и сверхпроводящие фазы, а также относительно простые способы изготовления тонких пленок, наиболее распространенным из которых является напыление23,24,25. Хотя напыление в сверхвысоком вакууме (СВВ) обеспечивает получение тонких пленок высокого качества и легкий путь к созданию гетероструктур, этот метод сложнее интегрировать, например, с наноструктурированием, из-за плохой анизотропии угла осаждения для литографии на основе маски и шаблонизация. Поэтому для некоторых устройств по-прежнему полезно исследовать альтернативные методы обработки тонких SF-гетероструктур, например, рассматривая потенциальные 3D-суперспинтронные устройства. Альтернативные методы физического осаждения из паровой фазы, такие как электронно-лучевое испарение (EBE), предлагают потенциальный подход; Ранее было показано, что СВВ-ЭЛЭ создает гладкие тонкие пленки Nb с достоверно высоким \(T_{c}\)26,27. В частности, UHV EBE предлагает высокоанизотропное осаждение на линии прямой видимости, которое идеально подходит для шаблонной литографии, формирования рисунка положительного резиста (отрыва), методов осаждения под скользящим углом и трехмерного выращивания на каркасах.

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>