[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种使用可移除保护层的低温纳米光刻技术，通过聚焦离子束（FIB）刻蚀制备高质量的YBa2Cu3O7-x纳米桥。该方法保持了超薄薄膜的超导特性，在8 K时实现高达125 MA/cm²的临界电流密度，并将临界温度和转变宽度几乎保持不变，直至桥宽达150 nm。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的超薄YBa2Cu3O7-x薄膜纳米光刻方法，且不损害其超导特性。
• 解决FIB刻蚀过程中薄膜敏感性带来的挑战，该问题常导致超导层受损。
• 实现亚200 nm宽度的高质量纳米桥的制备，用于纳米尺度超导器件。
• 在保持尖锐超导转变特性的同时，实现高临界电流密度。

提出的方法

• 在FIB刻蚀前涂覆一种特殊设计的可移除保护层，以屏蔽超薄YBa2Cu3O7-x薄膜免受离子束损伤。
• 在低温（冷FIB）条件下进行纳米光刻，以最大限度减少热效应和离子注入引起的退化。
• 光刻完成后，完全去除保护层，且未对底层YBa2Cu3O7-x薄膜造成任何损伤。
• 该工艺可精确制备宽度低至150 nm的纳米桥。
• 测量并比较纳米桥与原始薄膜的临界温度和转变宽度，以评估超导质量的保持情况。
• 测量临界电流密度随桥宽和厚度的变化，以检验其与边缘势垒模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用可移除保护层的低温FIB纳米光刻工艺能否保持超薄YBa2Cu3O7-x薄膜的超导特性？
• RQ2 在FIB刻蚀后，纳米桥的临界温度和转变宽度在多大程度上与原始薄膜保持一致？
• RQ3 使用该方法在YBa2Cu3O7-x纳米桥中可实现多高的临界电流密度，桥宽低至150 nm？
• RQ4 观察到的临界电流密度与桥宽和厚度的依赖关系是否与边缘势垒模型一致？

主要发现

• 即使桥宽小至150 nm，制备的YBa2Cu3O7-x纳米桥仍保持与原始薄膜几乎相同的临界温度和转变宽度。
• 在8 K时实现了高达125 MA/cm²的临界电流密度，表明具有优异的超导性能。
• 临界电流密度随桥宽和厚度的变化关系与边缘势垒模型一致。
• 保护层在光刻后被成功移除，且未对YBa2Cu3O7-x薄膜造成任何可检测的损伤。
• 该方法可实现从超薄YBa2Cu3O7-x薄膜制备高质量纳米器件，克服了离子束敏感性的挑战。
• 结果证明了在保持超导完整性的同时，制备亚200 nm超导纳米桥的可行性。