分子束外延生长MgB₂薄膜和超导隧道结

文摘

自2001年发现其超导性能,二硼化镁引起全世界了不起的科学和工程研究的兴趣。与一个39 K和两个超导缺口,MgB₂从最基本的角度来看,伟大的承诺以及直接应用。几个技术建立了薄膜沉积和异质结的形成,每个都有自己的优点和缺点。在这里,我们将简要概述的研究基于MgB₂分子束外延薄膜生长的同时蒸发Mg和b电影光滑和高度结晶,和技术允许任何异质结构形成,包括all-MgB₂超导隧道结。这类设备的特点,准粒子和约瑟夫森隧道报道。MgB₂仍然是一个潜力巨大的物质大量进一步描述和探索研究项目和应用程序。

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二硼化镁已经购买现成的“场外交易”半个多世纪。然而,直到2001年初,一群日本研究人员宣布他们发现超导,用39岁的K (1]。这激动人心的发现立即吸引了世界各地的研究小组,的注意,此后数百MgB已发表的研究论文₂和MgB₂的设备。这个开车的理由是显而易见的:MgB₂是一个简单的二元化合物,这两个基本组件的便宜,丰富,无毒。它有一个简单的六方晶体结构,和一个健壮的晶格,如图1。然而,或许最重要的是,高转变温度意味着MgB₂基于设备可靠运行温度高达20甚至30 K,容易通过闭路低温压缩机或液化霓虹灯,因此立即不再需要昂贵的液氦和相关的大部分基础设施(2- - - - - -4]。

MgB₂立刻吸引了卫生行业的利益,新方法合成高效的超导线(例如,磁共振成像(MRI)机器)早在2003年,开发和不断改善。这是关心的主要制造业挑战孔隙度的化合物,和操作限制是临界电流密度,最大电流的线程可以维持,同时保持超导线的状态。开发新方法后按原料到电线,多核几何图形和烧结治疗,几家商业公司现在提供MgB₂电线有良好的应用潜力。

此外,新发现的超导体还存在一些新奇的物理研究社会的探索。特别是,它出现在第一个很奇怪,这种化合物可以成为超导在如此高的温度。这促使大量的超导机理的研究和库珀对MgB形成₂,导致当前MgB接受解释₂提出了两个超导能源缺口。模拟电子的晶格和理解债券表明这两个缺口并存两个方向的晶格。在4.2 K差距有价值~ 2.2兆电子伏,大差距有一个值~ 7.1兆电子伏的5- - - - - -10]。这两个缺口是耦合的,都随着温度的增加接近39 K。崔等。(8)从理论上研究的起源和演化两个缺口的MgB费密面₂(图2)。作者发现晶格与Mg(蜂窝层B原子占据中心的六边形在B飞机)超导体中电子成键是至关重要的。类似于石墨,MgB₂具有较强的债券的飞机,和虚弱债券之间的飞机。的债券只是部分占据,导致强烈的库珀对形成局限于晶格的飞机,大的原因带隙。

此外,2009年两缺口理论预测和实验发现的行为在两个不同的超导机制(类型1和2),提供另一个谜,进一步研究这种化合物。基于Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理论,Moshchalkov et al。(10)计算的相干长度MgB的两个缺口₂,找到海里,海里,与实验前的协议涡剖面测量(11]。渗透深度,确定实验上被发现纳米和纳米(7]。参数的顺序对于每个差距可以计算,导致令人惊讶的发现,。因此,两个超导缺口预计(干净的限制)的行为根据1型(差距)和2型(差距)超导和作者硬币术语“1.5”型超导MgB₂。通过研究平衡涡旋结构观察到痛苦的MgB装饰₂水晶和比较这些结果和理论预测这种新型1.5政权,作者确认他们的双组分模型非常适合于新超导体。

MgB的材料特性₂成为更好的建立,研究人员开始将它潜在的高度有效的设备,如超导隧道结。事实上超导隧道结将阐明交通和速度MgB的局限性₂,第一步约瑟夫森结和随后的高度敏感的传感器领域,又与可能的操作温度高于20 K。一个重要的研究工作为MgB₂薄膜后,建立了几种生长方法。

一些最初的报道所描述的过程需要退火(例如,一个毫克和B超晶格)在沉积实现超导薄膜(12- - - - - -18]。这些电影表现出良好的超导性能,但其表面粗糙度和off-stoichiometric成分为多层设备是一个严重的缺点。As-deposited超导薄膜允许多层会容易形成,将大大有利于光刻。一些早期的研究人员报道了成熟超导电影,但这些显示可怜的结晶度(19,20.]。

一个沉积方法非常成功和富有成效的过去十年曾是所谓的混合开发的物理化学汽相淀积等。(21和罗22]。这涉及到加热衬底的Mg蒸汽而暴露的衬底乙硼烷气体流动示意图如图3。一个高度结晶MgB₂层衬底上生长非常迅速,只要气流仍然存在。层增加了这种方法显示优秀和低电阻率与退火单晶,伴随着高临界电流密度(~ 10⁷一个厘米⁻²)。沉积过程的缺点(除了有毒的要求乙硼烷)沉积多层的挑战或超导隧道结而不破坏真空,因此表面污染的风险。然而,这种沉积技术已经MgB的催化剂₂薄膜的研究在世界范围内,许多许多项目和文章受益于这些电影(见,例如,23)和引用其中),包括约瑟夫森结被成功地形成了用Pb作为上电极(24]。

第二个成功的沉积方法建立(包括在我们的集团),到2002年,一直Mg和B同时蒸发的分子束外延(MBE)室19,25]。镁和硼有非常不同的蒸汽压力,要求同时蒸发的两种材料分别Mg在克努森容器(从电子束细胞)和B (梁)的来源。此外,B具有极高的熔点,快速加热和冷却时变得非常紧张,有时打破导致大的波动源的蒸发率甚至爆炸材料。

MgB₂薄膜沉积在硅晶片上实现了一个超高真空室,与基础下的压力托。促进晶格匹配,避免不必要的化合物,如硅硼化的形成的界面,一层薄薄的采用缓冲层可以蒸发在激烈的MgB之前清洁Si (111)₂增长。MgB MBE沉积₂,衬底温度必须高于250°C,必须注意关于通量,Mg和B通量的比值。Mg具有极高的蒸汽压,达到10⁻⁸托在185°C,因此将无法凝聚到一个热基质时蒸发。在B,复合可能形成和沉积到衬底上。这通常是Mg礼物的数量在增长应达到5次比B,以避免B-rich绝缘的电影。最优流量比例在每个衬底温度变化,从而形成了一个小窗口,合适的生长条件。使用这种方法,可以获得高的和非常光滑的电影(粗糙度低于0.5海里),所看到的x射线的集合特征测量图所示4。

薄膜生长,这种方法通常表现出一种转变温度低于39 K,较厚的电影(200 nm厚)的K。发现和减少厚度,减少10 nm电影成为超导~ 22 K以下。转变温度之间的这种差异大部分和薄膜是由低增长等因素引起的温度,压力,氧气污染和非化学计量性。压力是一个主要因素在电影发展和薄MgB限制地区₂也面临相当大的压力,由于晶格失配将按比例大影响电影的属性。即使晶格匹配关系密切,与一个面向一样采用缓冲层,界面效果总是会不利于电影的属性。氧含量和污染是MgB另一个有害的发生₂薄膜,Mg有很强的倾向与任何O₂现在在增长,形成分别。这可能导致一些氧缺陷被困在沉积膜,这取决于生长条件。通过改变背景中氧含量增长,货车Erven et al。(25)确定沉积在电影托的背景氧气表现出纯粹的绝缘行为。此外,化学计量电影无上限,但留在一个超高真空环境(托)甚至30分钟开始显示签名的氧气污染,与俄歇电子能谱(AES)研究了。

也许更重要比的高质量的薄膜,MBE可以沉积形成的可能性hetero-structures:特别是形成隧道结的能力是一个很好的利用这一技术。事实上,一个as-deposited MgB₂薄膜在室可以立即被限制与另一个材料保护打破之前的真空。此外,一个人可以想象事实上实现薄膜设备,MgB的任意组合₂可以集成。第一个想到的设备是自然隧道junction-two导电或超导层薄绝缘层隔开。超导隧道结允许基本传输性质的研究通过电极和障碍(包括自旋极化率的研究29日- - - - - -31日)但也高度适用的约瑟夫森结的前兆。约瑟夫森隧道实现当配对电子(大电流)隧道通过绝缘体,而剩下的配对,因此没有任何电压降。这个过程对电磁流量非常敏感,从而使约瑟夫森结的中心组件众多高度敏感的探测器(32,33]。

使用MBE-grown MgB₂加上传统的低温超导体如钒、金和Moodera26,34)成功地演示了原位薄膜超导隧道结。后MgB的增长₂在Si(分别以缓冲如上所述),一层薄薄的₂O₃被氧化形成的超薄膜,最后V cross-strips沉积。传统的四端传输测量为4.2 K和这样的MgB 1 K₂/铝₂O₃/ V连接显示典型的superconductor-insulator-superconductor (SIS)准粒子隧道行为,明确超导缺口结构出现。两个顶部和底部和差分的差距和超导电极显然是观察不出所料,如图5。超导缺口值在2 K两个电极被发现是2.4兆电子伏,0.7 MgB兆电子伏₂(分别差距)和V。这产生了一个减少BCS MgB比率为1.5₂,显示弱耦合超导。在较低的温度,测量了0.45 K,附加功能出现在电导曲线附近的值6.8兆电子伏,MgB对应₂ 差距,如图6。BCS比率是4.25,强耦合超导的签名。这样的实验是重复使用分别作为隧道势垒,良好的隧道行为是复制。通过减少隧道屏障的厚度,金姆和Moodera [26,34)能够观察MgB约瑟夫森隧道₂/铝₂O₃/ V和MgB₂分别以/ V连接(插图图6)。

清洁准粒子的示范和对隧道通过采用障碍是重要的,因为它打开时使用一层外延MgB的可能性₂面向发展的障碍,作为一个电极。这类all-MgB MBE沉积方法的确允许₂连接结构,在不破坏形成真空。这样的连接将是一个伟大的MgB实现和使用₂的属性,完全消除需要他冷却液,并受益于操作速度快可能由于大型能源缺口。金姆和Moodera [34]在2006年意识到这样的路口,MgB的连续沉积₂,分别以MgB₂。这里值得注意的是,高结晶质量的上电极可以最佳的设备操作。由于经济增长的本质,这是不可避免的障碍和上电极之间的界面会比这些接口粗糙靠近衬底。这是显示在减少的影响28 K的MgB顶部₂传统低温超导体,仍然显著提高。尽管如此,重要的约瑟夫森隧道电流观察25 K,这些连接有一个~ 4兆电子伏的产物。的产品(临界电流和正常状态阻力这么高,接近空白值是一个潜在的巨大利益高速电子应用程序。也值得注意,它是相对容易形成夹层与MgB连接₂而大部分氧化物高材料(35]。

约瑟夫逊结的横向大小栈是至关重要的,当考虑到电磁场对约瑟夫森效应的影响信号。对磁场的情况下,这已是不争的阶段约瑟夫森电流与总通量穿过结。在足够小的结大小的电流密度在整个区域结是统一的,和最大约瑟夫森电流临界电流,遵循夫琅和费衍射的模式,24,32,36]。同样,微波辐照的约瑟夫逊结影响临界电流,与射频(RF)权力导致电流电压测量(独特的夏皮罗的步骤27,32,37]。

Costache和Moodera28存放所有MgB₂基于MBE超导隧道结的,分别以隧道势垒,类似于上述工作。然而在这种情况下,而不是阴影掩蔽在沉积过程中,电影是postpatterned使用标准光学光刻技术,以便连接到与横向维度μ米²可以形成。连接的宽度比这位小约瑟夫森穿透深度,这可能被认为是在小连接限制。尽管光刻和处理可能破坏超导薄的影片来说,上电极在particular-Josephson隧道中观察到这些设备21 K。厚度为2.4 nm(沉积期间以石英晶体微量天平)分别以屏障被确定为最优的隧道。这个值成立作为一个权衡泄漏sub-gap电导与薄分别连接障碍,和准粒子隧道交通厚障壁连接为主。这些连接的交流约瑟夫森效应测量为4.2 K和9.3 GHz的射频辐射下,和Costache Moodera [28)观察到清晰的夏皮罗步骤出现随着激发功率增加,如图7。夏皮罗的步骤按照预期的发生电压位置值,一个整数,激励频率,和普朗克常数和电子电荷,分别。MgB潜在问题与磁通俘获₂然而,意味着夫琅和费衍射后的临界电流变化模式在这些路口不能观察到的。担忧因此可能出现在这些测量泄漏电流的作用除了约瑟夫森电流。夫琅和费衍射模式已被证明在MgB他人₂的连接(24,36]。

探索MgB dual-gap的本质₂也取得了不错的效果。正如上面提到的,非常大的差距值为7.1兆电子伏可能是非常有用的高速电子器件。运输通过的比例或两个缺口是一个函数的晶体方向,差距交通主导的c设在方向,差距主要的运输情况a - b飞机。为了研究的性质差距,垫片等。(38)离开变形分别以壁垒和all-MgB研究₂连接与多晶铝₂O₃隧道的障碍。这将导致损失的取向上超导体,因此暴露所有晶体垂直电流方向。XRD和横截面透射电子显微镜(TEM)证实,而底部电极(生长在分别以缓冲)外延,MgB顶部₂是随机的,如图8。它也被发现薄膜生长的₂O₃10 K低于生长在采用相同的电影,一系列MgB吗₂厚度。准粒子输运测量了连接形成的₂O₃隧道结确实显示清晰差距与顶层隧穿特性相关。

另一种方法是溅射沉积的一个健壮的隧道障碍。溅射可能产生薄MBE非常均匀的屏障没有实验的缺点。值得注意的是没有高温postanneal气急败坏的障碍将是不太可能的。使用相同的MgB₂沉积方法,正如前面所讨论的那样,我们已经探索气急败坏的分别作为准粒子的隧道势垒和约瑟夫森结。准粒子或约瑟夫森隧道成功地观察到,这取决于屏障的厚度。电流电压特性的一个例子分别以2.5 nm厚的MgB所有的障碍₂结图所示9。这个数据被收集在恒流模式下,显示两个显著的特点:一个小电流问世至今,持续短暂,跳到一个电阻隧道政权高于12.7 mV。后一种行为表明超导缺口,对应于之间的运输两个电极的乐队。顶部电极再次略有降低空白值与电极底部生长在水晶采用缓冲层。因此,在这些路口,粗糙的界面障碍和事实,气急败坏的障碍提供了出色的报道的粗糙度会导致平面隧道通道存在。这些水平通道也会有效减少厚度相比传统的垂直隧道方向,解释他们的患病率在测量。

直到现在,我们一直提到分别和MgB₂在相同的设备,而不是以交互的方式。毫克的内容在这两个材料是一种天然的联系,并使我们另一个可能性隧道势垒,自然氧化物MgBO_x。可以氧化MgB的表面₂以一种受控制的方式使用O₂接触辉光放电等离子体,在生长室,形成以MgBO超导隧道结_x障碍。虽然约瑟夫森结没有形成屏障,准粒子隧道和超导缺口被观察到。例子微分电导曲线如图10偏置电压的选择范围。势垒厚度上的电流电压曲线被发现2.1 nm,势垒高度的1.32 eV。隧道和超导缺口特性观察是一个令人鼓舞的迹象表明,直接由MgB氧化形成的屏障₂为未来的设备可能是可行的和容易的路线。辛格等人。(39]也探索MgB₂使用本机的连接形成氧化物绝缘层。氧化是由暴露MBE-grown电影环境空气在室温下或在160°C一小时。他们能够检测间隙特性等的运输特点连接在温度30 K,和pinhole-free阻碍了区域大于1毫米²。虽然确切的化学屏障很难确定,取决于表面化学计量学,这再次表明,自然氧化的壁垒是一种很有前途的和健壮的候选人为未来实现。最近,沈等。(40)可以形成两个氧化MgB约瑟夫逊结按在一起₂薄膜。

平面或边缘连接使用MgB的薄膜₂也已形成,研究[41,42]。在这些设备中,超导薄膜的一侧被移除,然后隧道结和第二超导电极沉积,这样他们重叠MgB一步地区₂。这有一个明显的实验优势是一个横向维度的结面积是由原创电影的厚度决定的,因此可以可靠地确定为纳米尺寸的政权。此外,这些连接允许的直接探测平面a - b飞机运输,因此差距的MgB₂。在一个案例中使用这些类型的连接,边缘主义者等。(41)观察光谱的顶点,可能相应的莱模式共振(42]。这是预测多隙超导体作为表现的相对相位和冷凝物,MgB₂进一步探索这是否一个理想人选。

灵感来自以前的工作对传统元素超导体,可以传递这些想法,和想象的他人,可以充分应用于MgB₂。尤其是大型的调查差距使用横向连接的研究兴趣与应用程序。这样一个横向连接几何使用铁磁材料的沉积,例如,铁、超导上本地频道。接近,这将摧毁MgB超导₂在与铁接触。另一种方法是收缩MgB非常薄₂渠道,再次引起nonsuperconducting段作为正常金属屏障。这是可靠地完成之后,你可以想象MgB几乎完全休息₂通道可以作为隧道势垒。进一步发展,MgB的薄膜₂可能的直接进入超导量子干涉器件通过创建一个渗透通量循环直接在电影。开发设备的例子,其中的一些想法如图11。事实上,这种强大的材料,应该能够模式整个电路连接,直接成电影探测器和其他组件。

远离传统的超导隧道结,MgB₂提供了良好的洞察力和新型设备的潜力。例如,点接触光谱学可以用来检测电导sub-gap地区由于安德列夫反射的发生。根据最近的理论,在一个多波段像MgB超导体₂、干扰可以之间存在不同的传导渠道。多波段Blonder-Tinkham-Klapwijk模型和干扰影响包括现在可以这样的现象,使试验研究非常有价值。外延MgB₂多波段超导薄膜是一种理想的原型系统(43,44]。

整体,而专注于薄膜连接原位形成的,我们已经看到MgB₂拥有更大的潜力为设备和探测器的实现(23,45- - - - - -48]。自然的兴趣始于材料;相对较高的Mg和B意味着MgB和可用性₂是否一个理想人选的应用程序从轨迹磁铁线圈到单光子探测器。只有一个超导的发现时间已经过去10年,但已经MgB₂产生了极好的研究机构和世界各地的行业,并很明显,其潜在的尚未完全满足。

承认

作者承认海军研究办公室的支持下格兰特数字n00014 - 02 - 1 - 0119和n00014 - 06 - 1 - 0235。

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