[논문 리뷰] High-quality YBa2Cu3O7-x nanobridges fabricated by FIB etching

Matvey Lyatti, Alexey Savenko외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초박막 YBa2Cu3O7-x 필름의 초점 이온 비드(FIB) 에칭을 통해 고품질의 YBa2Cu3O7-x 나노브릿지 제작을 위해 제거 가능한 보호층을 사용하는 냉각된 나노패터닝 기법을 제시한다. 이 방법은 초박막 필름의 초전도성 특성을 유지하며, 8 K에서 최대 125 MA/cm²의 임계 전류 밀도를 달성하고, 브릿지 폭이 150 nm까지 감소하더라도 거의 동일한 임계 온도와 전이 너비를 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초전도성 특성이 떨어지지 않는 초박막 YBa2Cu3O7-x 필름을 위한 신뢰할 수 있는 나노패터닝 방법을 개발하기 위해.
• FIB 에칭 중 필름의 민감성으로 인한 초전도층 손상 문제를 해결하기 위해.
• 나노스케일 초전도 장치를 위한 200 nm 이하 폭의 고품질 나노브릿지 제작을 가능하게 하기 위해.
• 예리한 초전도 전이 특성을 유지하면서도 높은 임계 전류 밀도를 달성하기 위해.

제안 방법

• 초점 이온 비드(FIB) 에칭 전에 특수 설계된 제거 가능한 보호층을 도포하여 초박막 YBa2Cu3O7-x 필름이 이온 비드 손상으로부터 보호되도록 한다.
• 열적 및 이온 유도 열화를 최소화하기 위해 저온(FIB)에서 나노패터닝을 수행한다.
• 패터닝 후 보호층을 완전히 제거하되, 기초가 되는 YBa2Cu3O7-x 필름에 손상을 주지 않는다.
• 브릿지 폭이 150 nm까지도 정밀하게 제작 가능한 나노브릿지를 가능하게 한다.
• 나노브릿지의 임계 온도와 전이 너비를 원본 필름과 비교하여 초전도 품질 유지 여부를 평가한다.
• 브릿지 폭과 두께에 따른 임계 전류 밀도 측정을 통해 엣지 장벽 모델과의 일관성을 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제거 가능한 보호층을 갖춘 냉각된 FIB 나노패터닝 공정이 초박막 YBa2Cu3O7-x 필름의 초전도성 특성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 FIB 에칭 후 나노브릿지의 임계 온도와 전이 너비가 원본 필름과 얼마나 일치하는가?
• RQ3 이 방법을 사용하여 폭이 150 nm에 이르는 YBa2Cu3O7-x 나노브릿지에서 도달할 수 있는 임계 전류 밀도는 얼마인가?
• RQ4 관측된 임계 전류 밀도의 폭과 두께에 따른 의존성은 엣지 장벽 모델과 일치하는가?

주요 결과

• 150 nm의 매우 작은 브릿지 폭에서도 원본 필름과 거의 동일한 임계 온도와 전이 너비를 유지한 YBa2Cu3O7-x 나노브릿지가 제작되었다.
• 8 K에서 최대 125 MA/cm²의 높은 임계 전류 밀도를 달성하여 뛰어난 초전도 성능을 입증하였다.
• 임계 전류 밀도의 브릿지 폭과 두께에 따른 의존성이 엣지 장벽 모델과 일치하였다.
• 패터닝 후 보호층이 손상 없이 성공적으로 제거되었으며, YBa2Cu3O7-x 필름에 눈에 띄는 손상이 없었다.
• 이 방법은 이온 비드 민감성 문제를 해결하고 초박막 YBa2Cu3O7-x 필름으로부터 고품질 나노소자를 제작할 수 있게 하였다.
• 결과적으로 200 nm 이하의 초전도 나노브릿지 제작이 초전도 성능을 유지하면서 가능함을 입증하였다.