Evaporazione tramite fascio di elettroni di un superconduttore

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7786 (2022) Citare questo articolo

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Riportiamo le proprietà elettroniche e magnetiche delle eterostrutture superconduttore-ferromagnete fabbricate mediante evaporazione del fascio di elettroni su substrati di Si ossidati termicamente non riscaldati. È stato dimostrato che i film sottili policristallini di Nb (da 5 a 50 nm di spessore) possiedono temperature critiche superconduttrici affidabili ed elevate (\(T_{c}\)), che si correlano bene con il rapporto di resistività residua (RRR) del film. Queste proprietà sono migliorate durante la ricottura ex-situ, con conseguenti aumenti di \({\Delta }T_{c}\) e \({\Delta }\)RRR fino a 2,2 K (\(\sim\) 40% del pre -ricotto \(T_{c}\)) e 0,8 (\(\sim\) 60% del RRR pre-ricotto) rispettivamente. Le eterostrutture Nb/Pt/Co/Pt hanno mostrato una sostanziale anisotropia perpendicolare nel limite ultrasottile (≤ 2,5 nm), anche nel limite estremo di Pt (0,8 nm)/Co (1 nm)/Pt (0,6 nm). Questi risultati indicano l'uso dell'evaporazione del fascio di elettroni come percorso verso multistrati superspintronici a base di Nb depositati in linea di vista, a basso spessore e di alta qualità.

Le eterostrutture superconduttore(S)-ferromagnete(F) hanno rivelato numerosi fenomeni come la produzione di spin-triplet1,2,3,4 e supercorrenti con differenze di fase macroscopiche sintonizzabili5,6,7 e continuano ad approfondire la nostra comprensione dell'interazione tra queste fasi, in particolare alle interfacce8,9. Quando l'anisotropia magnetica perpendicolare (PMA), che spinge lo strato F a puntare fuori dal piano in equilibrio, è integrata all'interno di uno strato F, ad esempio tramite anisotropia interfacciale, emerge un candidato per la memoria criogenica basata sull'elettronica di spin superconduttiva (superspintronica)10 . Precedenti esempi di celle di memoria criogeniche scalabili si sono concentrati su più strati F nel piano6,11,12,13. Rivedendo ulteriormente queste geometrie, gli strati di anisotropia mista, in cui gli strati F sono utilizzati con anisotropie ortogonali, possono anche essere utilizzati per creare disomogeneità magnetica per studiare la conservazione delle correnti triplette a lungo raggio negli strati SFNF14,15,16, dove N rappresenta un metallo normale . A questo scopo, continua il lavoro nello sviluppo fondamentale di tali eterostrutture SF10,17,18,19, in particolare nel raggiungimento simultaneo di PMA considerevole e temperatura superconduttiva critica affidabile, \({T}_{c}\), in film multistrato. Gli strati Nb/Pt/Co rappresentano un sistema prototipo in cui l'anisotropia può essere regolata tramite l'interfaccia Pt/Co e la struttura magnetica disomogenea generata, a piacimento10,18,20. Anche in questo sistema, tuttavia, resta ancora del lavoro per sviluppare eterostrutture con PMA considerevoli e \({T}_{c}\) non inibite dall'ampio accoppiamento dell'orbita di spin in Pt, effetti di prossimità S–N21 ed effetti di patterning22, in particolare quando integrati nei dispositivi.

L'Nb è spesso il materiale superconduttore preferito in quanto beneficia di fasi normali e superconduttrici abbastanza semplici, nonché di percorsi relativamente semplici per la fabbricazione di film sottili, il più diffuso dei quali è la deposizione sputtered23,24,25. Mentre lo sputtering sotto vuoto ultra-alto (UHV) offre film sottili di alta qualità e un percorso facile per costruire eterostrutture, la tecnica è più difficile da integrare, ad esempio, con il nanopatterning, a causa della scarsa anisotropia dell'angolo di deposizione per la litografia basata su maschera e modelli. Resta quindi vantaggioso per diverse applicazioni di dispositivi esplorare tecniche alternative durante l'elaborazione di eterostrutture SF sottili, ad esempio considerando potenziali dispositivi superspintronici 3D. Metodi alternativi di deposizione fisica del vapore, come l’evaporazione con fascio di elettroni (EBE), offrono un potenziale approccio; È stato precedentemente dimostrato che l'EBE UHV genera film sottili di Nb lisci, con \(T_{c}\) affidabile e elevato26,27. In particolare, UHV EBE offre deposizione altamente anisotropica e in linea di vista, ideale per la litografia basata su modelli, modelli di resistenza positiva (lift-off), metodi di deposizione ad angolo radente e crescite di impalcature 3D.

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>