[论文解读] Direct observation of the thickness distribution of ultra thin AlOx barrier in Al/AlOx/Al Josephson junctions

Lunjie Zeng, Samira Nik+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2014

Surface and Thin Film PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 22

一句话总结

本研究利用原子分辨率环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）直接观测了Al/AlOx/Al约瑟夫森结中超薄AlOx势垒的厚度分布。结果表明，不到10%的势垒面积主导了电子隧穿，厚度在约1 nm至约2 nm之间呈高斯分布，且证明延长氧化时间比提高氧气压力更能有效增加势垒厚度。

ABSTRACT

We show that less than 10% of the barrier area dominates the electron tunneling in state-of-art Al/AlOx/Al Josephson junctions. They have been studied by transmission electron microscopy, specifically using atomic resolution annular dark field (ADF) scanning transmission electron microscopy (STEM) imaging. The direct observation of the local barrier thickness shows a Gaussian distribution of the barrier thickness variation along the junction, from ~1 nm to ~2 nm in the three junctions we studied. We have investigated how the thickness distribution varies with oxygen pressure (po) and oxidation time (to) and we find, in agreement with resistance measurements on similar junctions, that an increased to gives a thicker barrier than an increased po.

研究动机与目标

• 直接可视化超薄AlOx势垒在Al/AlOx/Al约瑟夫森结中的局部厚度分布。
• 理解势垒厚度在电子隧穿中的作用，特别是哪些区域主导了输运行为。
• 研究氧化时间（to）和氧气压力（po）对AlOx势垒厚度分布的影响。
• 将显微结构观测结果与类似结的电学电阻测量结果进行关联。
• 为高质量约瑟夫森结中隧穿的厚度依赖性提供实验验证。

提出的方法

• 采用原子分辨率环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）在原子尺度上对AlOx势垒进行成像。
• 在三个不同结的多个点上局部测量了AlOx势垒的厚度。
• 对厚度分布进行分析，以确定其统计形式，结果揭示出高斯分布特征。
• 系统性地改变氧化条件（氧气压力和时间）以研究其对势垒厚度的影响。
• 利用类似结的电学电阻测量结果验证所观察到的厚度趋势。
• 进行统计分析，以量化负责主导隧穿的势垒面积比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最先进的Al/AlOx/Al约瑟夫森结中，AlOx势垒厚度的空间分布如何？
• RQ2 势垒的哪些区域主导了电子隧穿，其面积占比是多少？
• RQ3 氧化时间与氧气压力如何影响AlOx势垒的厚度及其分布？
• RQ4 所观察到的厚度分布是否与类似结的电学电阻测量结果一致？
• RQ5 势垒厚度在整个结上是否遵循高斯分布？

主要发现

• 在所研究的约瑟夫森结中，AlOx势垒面积中不到10%负责了大部分电子隧穿。
• 局部势垒厚度在约1 nm至2 nm之间变化，且呈高斯分布。
• 增加氧化时间（to）可使势垒变厚，该结果与类似结的电阻测量结果一致。
• 提高氧气压力（po）导致势垒厚度增加的幅度小于增加氧化时间。
• 直接ADF-STEM成像证实，厚度非均匀性是隧穿行为的关键因素。
• 研究结果为势垒厚度均匀性对高性能约瑟夫森结至关重要提供了实验依据。