유연하고 두께 조절이 가능한 유전체 기판의 NbN 필름

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10662(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

두께를 제어할 수 있는 유연한 유전체 기판에 초전도 NbN 박막을 제조하는 간단한 방법이 개발되었습니다. 유연한 필름의 구조와 표면 특성, 초전도 특성은 X선 회절(XRD), 원자력 현미경(AFM) 및 물리적 특성 측정 시스템(PPMS)을 통해 연구되었습니다. 우리는 유연한 기판의 NbN 필름이 비정질 NbN 층의 자체 버퍼링 효과를 통해 특정 우선 방향을 나타냄을 발견했습니다. 10nm 두께의 NbN 필름에 대한 제로 저항 초전도 전이 온도(TC0)는 8.3K이고, 9T 자기장에서 30nm 두께의 NbN 필름에 대한 TC0는 7K 이상으로 유지됩니다. 이 유연한 필름은 모든 기판으로 전사될 수 있으며 다양한 모양 응용 분야에 적합합니다. 또한 단일층 또는 다층 유연한 초전도 장치로 추가 가공될 수도 있습니다.

초전도 니오븀 질화물(NbN) 막은 상대적으로 높은 초전도 전이 온도(Tc)와 높은 임계 전류 밀도를 가지고 있습니다1. 따라서 NbN 필름은 초전도 전자 장치, 특히 열전자 볼로미터(2, 3) 및 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(4, 5)와 같은 매우 민감한 검출기에 널리 활용되어 왔습니다. 기판은 NbN 필름 준비의 기초 중 하나이며 초전도성에 직접적인 영향을 미칩니다. 필름과 장치와 전자파의 결합. NbN은 일반적으로 MgO6, Al2O37, GaAs8, 실리콘(Si)9 및 기타 기판에서 제조됩니다. 기판의 선택은 주로 장치의 성능을 향상시키고 적용 상황에 맞추는 것을 목표로 합니다. 기판과 필름 사이의 격자 불일치도 필름과 장치의 성능에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다. 기판과 필름10 사이에 버퍼층을 사용하여 불일치를 어느 정도 해결하고 NbN 필름 및 장치의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 기판의 두께는 소자의 결합 효율과 전자파 신호에 영향을 미치며, 특히 기판 두께와 전자기파 파장이 유사한 테라헤르츠 주파수 대역에서는 기판과 필름 사이에 간섭 효과가 발생할 수 있습니다11. 간섭 효과와 기판 손실을 줄이기 위해 에칭 공정을 사용하여 기판 두께를 줄일 수 있습니다. 그러나 견고한 기판의 기계적 강도는 기판 두께가 얇아짐에 따라 크게 감소하고 매우 취약해집니다. 유연한 기판을 사용하면 이러한 문제를 피할 수 있습니다. 더욱이, 유연한 기판에 초전도막을 성장시키는 것은 다층 구조 장치의 제조에도 사용될 수 있습니다.

외부 자기장을 차폐하기 위해 전도성이 높은 재료가 자주 사용되지만, 외부 자기장의 주파수는 충분히 커야 합니다(> 1 kHz)19. 전도성 물질의 투자율은 낮은 주파수에서 표피 깊이 δ가 매우 크기 때문에 저온에서 매우 낮습니다. 1kHz 미만의 주파수와 저온 환경에서 초전도체는 강한 반자성 특성으로 인해 강자성 물질보다 자기장을 더 효과적으로 차폐합니다. 초전도 물질이 상전이 온도 Tc 이하로 냉각되면 초전도 물질은 외부 자기장에 반대되는 스크리닝 전류를 생성하여 자기장을 방출하는데, 이를 마이스너 효과라고 합니다. 효율적인 자기 차폐를 위해서는 높은 임계 전류 밀도, 충분한 기계적 강도 및 연성을 갖춘 초전도 필름이 필요합니다. 쉴드의 효과는 재료 품질, 미세 구조 및 모양에 따라 달라집니다19. YBCO20, MgB221, 22 및 기타 초전도막이 실제 응용 분야에 사용되었습니다. 임계 전류 밀도가 30 kA cm−2이고 임계 자기장이 12.8 T인 MgB2는 4.2 K21에서 2 T의 자기장 차폐를 달성할 수 있습니다.