4 research outputs found
Niobium Nitride Thin Films for Very Low Temperature Resistive Thermometry
International audienceWe investigate thin film resistive thermometry based on metal-to-insulator-transition (niobium nitride) materials down to very low temperature. The variation of the NbN thermometer resistance have calibrated versus temperature and magnetic field. High sensitivity in tempertaure variation detection is demonstrated through efficient temperature coefficient of resistance. The nitrogen content of the niobium nitride thin films can be tuned to adjust the optimal working temperature range. In the present experiment, we show the versatility of the NbN thin film technology through applications in very different low temperature use-cases. We demonstrate that thin film re-sistive thermometry can be extended to temperatures below 30 mK with low electrical impedance
Direct writing of Josephson junctions in superconducting nitrides with focused helium ion beam
Vuonna 2015 Cybart et al. osoittivat että Josephsonin liitoksia voi tehdä kuvioimalla
suoraan heliumionisuihkulla YBCO ohutkalvoja. Tämä menetelmä on
hyvin lupaava, sillä se voisi mahdollistaa Josephsonin liitosten valmistamisen
aikaisempaa yksinkertaisemmalla menetelmällä. Lisäksi tätä menetelmää voisi
mahdollisesti käyttää suprajohde-eriste transition tutkimiseeen.
Tässä tutkielmassa fokusoitua heliumionisuihkua käytetään tuottamaan epäjärjestystä
nitridiohutkalvoihin ja näin lokaalisti kontrolloimaan suprajohde-eristetransitiota
tällä alueella. Tämän menetelmän osoitetaan soveltuvan Josephsonin
liitosten tekemiseen suprajohtavissa nitrideissä. Tässä työssä käytetyt
suprajohtavat TiN, NbN ja NbTiN ohutkalvot kasvatetaan pulssilaserkasvatuksella(
PLD), ja huomionarvoista on että tämä on ilmeisesti ensimmäinen kerta
kun NbTiN ohutkalvoja kasvatetaan PLD:n avulla. Tämän projektin aikana PLDlaitteistoa
paranneltiin, ja nämä muutokset käydään läpi tässä tutkielmassa.
Valmistetut näytteet karakterisoitiin matalan lämpötilan mittausten avulla.
Kaikissa tutkituissa nitrideissä suprajohtavaa kriittistä lämpötilaa voitiin laskea
heliumionisuihkun avulla, ja lasku oli sitä suurempi mitä isompi annos heliumionisuihkua
materiaaliin kohdistettiin. Tässä työssä osoitetaan että tätä kontroilloitua
Tc:n laskua voidaan käyttää SNS-tyyppisten Josephsonin liitosten valmistamiseen,
jolloin heikon linkin ominaisuuksia voidaan säätää hyvin paljon.
NbTiN osoittautui kaikista lupaavimmaksi materiaaliksi, koska sillä on korkea
Tc (15.3 K) ja pieni resistiivisyys. Lisäksi tässä tutkielmassa osoitetaan että NbTiN
voidaan saada eristäväksi kohdistamalla siihen tarpeeksi suuri annos heliumioneja,
jolloin myös SIS-tyypin liitoksia voidaan tehdä. SIS-liitoksia voitiin tehdä
onnistuneesti, mutta kaikissa selvästi eristävissä näytteissä kriittinen virta oli
suppressoitu.
Aikaisemmin ei ole raportoitu Josephsonin liitosten valmistamista nitrideissä
suorakirjoittamisen avulla, ja tämä työ voikin avata uusia mahdollisuuksia
Josephsonin liitosten valmistukseseen tulevaisuudessa. Sopiva lyhenne tälläiselle
uudelle Josephsonin liitokselle voisi olla mahdollisesti "Epäjärjestyneen heikon
linkin Josephsonin liitos" eli dJJ.Direct writing of Josephson junctions using focused ion beam in YBCO thin films
was demonstrated by Cybart et al. in 2015. This method could possibly simplify
the fabrication of Josephson junctions for superconducting devices as well as
provide versatile tool to investigate the physics of disorder-driven superconductorinsulator
transition (SIT).
In this thesis this method is used to locally control the SIT in superconducting
nitride thin films via disorder induced by the helium ion beam, and we demonstrate
how this can be used in Josephson junction fabrication. Here high quality
superconducting thin films of NbN, TiN and NbTiN grown with an infrared
pulsed laser deposition (PLD) technique are used for the device fabrication. To our
knowledge, this is the first time when superconducting niobium titanium nitride
is deposited with pulsed laser deposition. During this project some modifications
and improvements to the PLD setup were made, and they are briefly discussed in
the thesis.
Low temperature measurements of the fabricated samples revealed that in
all of the studied nitrides superconductivity can be suppressed by helium ion
irradiation, with higher helium ion fluence resulting in a lower critical temperature
Tc. This controllable Tc suppression combined with the high spatial resolution of
the helium ion microscope was proven to enable successful fabrication of SNS-type
Josephson junctions with highly tunable weak links.
Most promising candidate among the three superconducting nitrides seems
to be NbTiN, because of its high Tc (15.3 K) and low resistivity. In addition,
we demonstrate that NbTiN thin films can be pushed to the insulating side of
the SIT with a high enough helium ion fluence. Thus, fabrication of insulating
barrier SIS Josephson junctions was also shown to be possible. However, in all of
the fabricated devices exhibiting clear insulating behaviour, critical current was
suppressed.
Fabrication of Josephson junctions with direct writing has not been previously
reported on conventional low temperature superconductors, and this work could
open up new exciting possibilities in Josephson junction fabrication in the future.
Suitable acronym for this new kind of device could be Disordered weak link
Josephson Junction (dJJ)
High-quality superconducting titanium nitride thin film growth using infra-red pulsed laser deposition
Superconducting titanium nitride (TiN) thin films were deposited on magnesium oxide, sapphire and silicon nitride substrates at 700 °C, using a pulsed laser deposition (PLD) technique, where infrared (1064 nm) pulses from a solid-state laser were used for the ablation from a titanium target in a nitrogen atmosphere. Structural studies performed with x-ray diffraction showed the best epitaxial crystallinity for films deposited on MgO. In the best films, superconducting transition temperatures, T C, as high as 4.8 K were observed, higher than in most previous superconducting TiN thin films deposited with reactive sputtering. A room temperature resistivity down to ~17 μΩ cm and residual resistivity ratio up to 3 were observed in the best films, approaching reported single crystal film values, demonstrating that PLD is a good alternative to reactive sputtering for superconducting TiN film deposition. For less than ideal samples, the suppression of the film properties were correlated mostly with the unintended incorporation of oxygen (5–10 at%) in the film, and for high oxygen content films, vacuum annealing was also shown to increase the T C. On the other hand, superconducting properties were surprisingly insensitive to the nitrogen content, with high quality films achieved even in the highly nitrogen rich, Ti:N = 40/60 limit. Measures to limit oxygen exposure during deposition must be taken to guarantee the best superconducting film properties, a fact that needs to be taken into account with other deposition methods, as well.peerReviewe