이온

Apr 23, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6315(2023) 이 기사 인용

711 액세스

측정항목 세부정보

티타늄 질화물은 나노와이어 마이크로파 공진기 및 광자 검출기와 같은 많은 초전도 장치에 관심이 있는 재료입니다. 따라서, 바람직한 특성을 갖는 TiN 박막의 성장을 제어하는 ​​것은 매우 중요하다. 이 연구는 IBAS(이온 빔 보조 스퍼터링)의 효과를 탐구하는 것을 목표로 하며 공칭 임계 온도의 증가가 관찰되었으며 임계 상한 필드는 질화 니오븀(NbN)에 대한 이전 작업과 병행됩니다. 우리는 DC 반응성 마그네트론 스퍼터링의 기존 방법과 IBAS 방법 모두를 사용하여 질화 티타늄 박막을 성장시켜 초전도 임계 온도 \(T_{c}\)를 두께, 시트 저항 및 질소 유량의 함수로 비교합니다. 우리는 전기 수송과 X선 회절 측정을 통해 전기적, 구조적 특성을 분석합니다. 기존 반응성 스퍼터링 방법과 비교하여 IBAS 기술은 격자 구조에 눈에 띄는 변화 없이 공칭 임계 온도가 10% 증가한 것으로 나타났습니다. 또한 초박막 필름에서 초전도 \(T_c\)의 거동을 탐구합니다. 높은 질소 농도에서 성장한 막의 경향은 무질서한 막의 평균 장 이론의 예측을 따르고 기하학적 효과로 인해 초전도 \(T_c\) 억제를 보여주는 반면, 낮은 질소 농도에서 성장한 질화물 막은 이론적 모델에서 크게 벗어납니다.

TiN은 많은 유용한 기계적, 전기적, 광학적 특성으로 인해 광범위하게 연구되었습니다. 나노와이어 마이크로파 공진기 및 광자 검출기와 같은 초전도 장치로 제작될 때 TiN은 대규모 큐비트 배열을 다중화하는 데 사용되는 공진기와 같은 양자 전기 회로의 기본 구조에 중요한 재료 역할을 합니다. TiN은 높고 낮은 구동력 모두에서 낮은 RF 손실, 높은 운동 인덕턴스, 조정 가능 \(T_{c}\)1,2,3,4 등 양자 계산 및 광자 감지에 필요한 기준을 충족하는 것으로 나타났습니다. 5,6,7,8. 또한 초전도 질화물인 TiN은 높은 화학양론적 위상에 대해 원소 Ti 및 Ti\(_{2}\)N에 비해 높은 초전도 \(T_{c}\)를 갖습니다. 단단하고 기계적으로 견고하며 안정적인 재료입니다9,10,11,12. 증착된 TiN\(_{x}\) 화합물의 조성은 제조 중에 존재하는 반응성 질소 가스의 플럭스를 변경하여 다양할 수 있습니다. 여기서 질소 농도를 변경하면 초전도 \(T_{c}\)를 조정할 수 있을 뿐만 아니라 필름의 결정 구조와 운동 인덕턴스를 변경합니다12,13.

가장 낮은 질소 농도의 경우, 초기에 질소가 격자간으로 통합되는 \(\alpha \)-Ti 상이 형성됩니다. 질소가 거의 증가하지 않으면 Ti-N 화합물에서 \(T_{c}\)를 억제하는 것으로 알려진 Ti\(_{2}\)N 상을 형성하는 질소의 원자 분율이 있습니다14. 다음으로, 더 높은 질소 흐름 체제에서 TiN은 가장 지배적이고 안정적인 화합물이 됩니다. TiN(111)과 TiN(002) 상이 혼합되어 형성될 수 있습니다. TiN(002)은 표면 에너지가 낮은 방향이고 TiN(111)에 비해 더 많은 탄성 입자를 형성합니다. 그러나 많은 증착 매개변수는 증착 압력, 기판 바이어스/온도, 이온 플럭스, 및 가스 조성14,16,17. TiN의 성장은 스퍼터링, 증발, 분자선 에피택시(MBE) 등 다양한 물리적 기상 증착(PVD) 기술을 사용하여 수행할 수 있습니다.

MBE는 초고진공 환경 내 저온에서 TiN과 같은 다성분 필름의 고도로 화학양론적이고 규칙적인 성장을 허용하는 반면, 반응성 스퍼터링 또는 증발을 사용하면 보다 다결정성 및 비정질 격자 구조가 촉진됩니다. 후자의 기술은 증착 중 결정 구조에 대한 통제력을 낮추면서 더 빠른 성장과 더 높은 처리량을 제공합니다. 그러나 스퍼터링과 증발은 증착 매개변수를 조정하여 원하는 특성을 갖춘 고품질 필름을 성장시킬 수 있는 능력을 여전히 제공합니다9.