Evaporação por feixe de elétrons do supercondutor

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7786 (2022) Cite este artigo

1615 Acessos

1 Citações

Detalhes das métricas

Nós relatamos as propriedades eletrônicas e magnéticas de heteroestruturas supercondutoras-ferroímãs fabricadas por evaporação de feixe de elétrons em substratos de Si termicamente oxidados não aquecidos. Filmes finos policristalinos de Nb (5 a 50 nm de espessura) demonstraram possuir temperaturas críticas supercondutoras confiáveis (\(T_{c}\)), que se correlacionam bem com a razão de resistividade residual (RRR) do filme. Essas propriedades melhoraram durante o recozimento ex-situ, resultando em \({\Delta }T_{c}\) e \({\Delta }\)RRR aumentos de até 2,2 K (\(\sim\) 40% do pré -recozido \(T_{c}\)) e 0,8 (\(\sim\) 60% do RRR pré-recozido) respectivamente. As heteroestruturas Nb/Pt/Co/Pt mostraram anisotropia perpendicular substancial no limite ultrafino (≤ 2,5 nm), mesmo no limite extremo de Pt(0,8 nm)/Co(1 nm)/Pt(0,6 nm). Esses resultados apontam para o uso da evaporação do feixe de elétrons como rota para multicamadas superspintrônicas baseadas em Nb depositadas na linha de visada, de baixa espessura e alta qualidade.

As heteroestruturas de supercondutor(S)-ferromagneto(F) revelaram numerosos fenômenos, como produção de spin-tripleto1,2,3,4 e supercorrentes com diferenças de fase macroscópicas ajustáveis5,6,7 e continuam a aprofundar nossa compreensão da interação entre essas fases, particularmente nas interfaces8,9. Quando a anisotropia magnética perpendicular (PMA), que leva a camada F a apontar para fora do plano em equilíbrio, é integrada dentro de uma camada F, por exemplo, via anisotropia interfacial, surge um candidato à memória criogênica com base na eletrônica de spin supercondutora (superspintrônica)10 . Exemplos anteriores de células de memória criogênica escaláveis focaram em múltiplas camadas F no plano6,11,12,13. Revendo ainda mais essas geometrias, as camadas de anisotropia mista, onde as camadas F são usadas com anisotropias ortogonais, também podem ser usadas para criar inomogeneidade magnética para estudar a preservação de correntes tripleto de longo alcance em camadas SFNF14,15,16, onde N representa um metal normal . Para este objetivo, o trabalho continua no desenvolvimento fundamental de tais heteroestruturas SF10,17,18,19, particularmente na obtenção simultânea de PMA considerável e temperatura supercondutora crítica confiável, \({T}_{c}\), em filmes multicamadas. As camadas de Nb/Pt/Co representam um sistema prototípico onde a anisotropia pode ser sintonizada através da interface Pt/Co e a textura magnética não homogênea gerada, à vontade10,18,20. Mesmo neste sistema, no entanto, ainda há trabalho para desenvolver heteroestruturas com PMA considerável e \({T}_{c}\) desinibido pelo grande acoplamento spin-órbita em Pt, efeitos de proximidade S-N21 e efeitos de padronização22, particularmente quando integrados em dispositivos.

O Nb é frequentemente o material supercondutor de escolha, pois se beneficia de fases normais e supercondutoras bastante descomplicadas, bem como rotas relativamente simples para a fabricação de filmes finos, sendo a deposição por pulverização catódica23,24,25 a mais prevalente. Enquanto a pulverização catódica sob ultra-alto vácuo (UHV) oferece filmes finos de alta qualidade e um caminho fácil para a construção de heteroestruturas, a técnica é mais desafiadora de integrar com, por exemplo, nanopadronização, devido à baixa anisotropia do ângulo de deposição para litografia baseada em máscara e modelagem. Portanto, continua sendo benéfico para várias aplicações de dispositivos explorar técnicas alternativas ao processar heteroestruturas finas de SF, por exemplo, considerando potenciais dispositivos superspintrônicos 3D. Métodos alternativos de deposição física de vapor, como a evaporação por feixe de elétrons (EBE), oferecem uma abordagem potencial; UHV EBE já demonstrou gerar filmes finos de Nb suaves, com alta confiabilidade \(T_{c}\)26,27. Em particular, o UHV EBE oferece deposição de linha de visão altamente anisotrópica, que é ideal para litografia de modelo, padronização de resistência positiva (lift-off), métodos de deposição de ângulo de visão e crescimentos de andaimes 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>