[論文レビュー] High-quality YBa2Cu3O7-x nanobridges fabricated by FIB etching

Matvey Lyatti, Alexey Savenko+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、剥離可能な保護層を用いた冷たいナノリソグラフィー技術を提案し、焦点走査イオンビーム（FIB）エッチングを用いて高品質なYBa2Cu3O7-xナノブリッジを形成する。この手法により、超薄膜の超伝導特性が保持され、8 Kで最大125 MA/cm²の臨界電流密度が達成され、150 nmのブリッジ幅まで臨界温度と遷移幅がほぼ同一を維持する。

ABSTRACT

Nanostructuring of YBa2Cu3O7-x films is a challenging task on a way to the high-quality YBa2Cu3O7-x nanodevices because of the sensitivity of YBa2Cu3O7-x thin films to the patterning process. In this work we report on a cold nanopatterning procedure used for the structuring of the ultra-thin YBa2Cu3O7-x films by focused ion beam etching with a specially developed protection layer, which can be easily removed after the patterning process without any damage to the ultra-thin YBa2Cu3O7-x film. High-quality ultra-thin YBa2Cu3O7-x nanobridges, fabricated with this nanopatterning procedure, demonstrated nearly the same values of the critical temperature and the transition width as an original film for bridge widths down to 150 nm. High critical current densities up to 125 MA/cm2 have been achieved at T = 8 K. The observed dependence of the critical current density on the width and the thickness of nanobridges was consistent with the edge barrier model.

研究の動機と目的

• 超薄膜YBa2Cu3O7-xの超伝導特性を損なわず、信頼性の高いナノリソグラフィー手法を開発すること。
• FIBエッチング中に薄膜が感受性であるため、超伝導層が損傷しやすいという課題に対処すること。
• ナノスケールの超伝導デバイスに適した、200 nm未満の幅の高品質ナノブリッジの作製を可能にすること。
• 鋭い超伝導遷移特性を維持しつつ、高い臨界電流密度を達成すること。

提案手法

• FIBエッチングの前に、特殊に設計された剥離可能な保護層を適用し、超薄膜YBa2Cu3O7-xをイオンビーム損傷から保護する。
• 熱的およびイオン誘起劣化を最小限に抑えるために、低温（冷たいFIB）でのナノリソグラフィーを実施する。
• リソグラフィー後、下層のYBa2Cu3O7-x薄膜に損傷を及げることなく、保護層を完全に除去する。
• このプロセスにより、幅150 nmまでの高精度なナノブリッジの作製が可能となる。
• ナノブリッジの臨界温度および遷移幅を、元の薄膜と比較して測定し、超伝導特性の保持状況を評価する。
• ブリッジ幅および厚さの関数として臨界電流密度を測定し、エッジバリアモデルとの整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剥離可能な保護層を用いた冷たいFIBナノリソグラフィー処理により、超薄膜YBa2Cu3O7-xの超伝導特性が保持可能か？
• RQ2 FIBエッチング後、ナノブリッジの臨界温度および遷移幅は、元の薄膜とどの程度一致するか？
• RQ3 本手法を用いて、幅150 nmまでのYBa2Cu3O7-xナノブリッジで達成可能な臨界電流密度はどの程度か？
• RQ4 観測された臨界電流密度の幅および厚さ依存性は、エッジバリアモデルと整合するか？

主な発見

• 幅150 nmにまで縮小したナノブリッジで、元の薄膜とほぼ同一の臨界温度および遷移幅を維持した。
• 8 Kで最大125 MA/cm²の臨界電流密度が達成され、優れた超伝導性能を示した。
• 臨界電流密度のブリッジ幅および厚さ依存性は、エッジバリアモデルと整合的であった。
• リソグラフィー後、YBa2Cu3O7-x薄膜に顕著な損傷を引き起こさずに保護層が完全に除去された。
• イオンビーム感受性の課題を克服し、超薄膜YBa2Cu3O7-xから高品質なナノデバイスを製造可能となった。
• 本結果により、超伝導的完全性を保持した200 nm未満の超伝導ナノブリッジの製造が実現可能であることが示された。