Íon

Apr 23, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 6315 (2023) Citar este artigo

711 Acessos

Detalhes das métricas

O nitreto de titânio é um material de interesse para muitos dispositivos supercondutores, como ressonadores de microondas de nanofios e detectores de fótons. Assim, controlar o crescimento de filmes finos de TiN com propriedades desejáveis ​​é de grande importância. Este trabalho tem como objetivo explorar os efeitos na pulverização catódica assistida por feixe de íons (IBAS), onde um aumento observado na temperatura crítica nominal e nos campos críticos superiores estão em conjunto com trabalhos anteriores sobre nitreto de nióbio (NbN). Cultivamos filmes finos de nitreto de titânio por ambos, o método convencional de pulverização catódica reativa de magnetron DC e o método IBAS, para comparar suas temperaturas críticas supercondutoras \(T_{c}\) como funções de espessura, resistência da folha e taxa de fluxo de nitrogênio. Realizamos caracterizações elétricas e estruturais por meio de medições de transporte elétrico e difração de raios X. Comparada ao método convencional de pulverização catódica reativa, a técnica IBAS demonstrou um aumento de 10% na temperatura crítica nominal sem variação perceptível na estrutura da rede. Além disso, exploramos o comportamento da supercondução \(T_c\) em filmes ultrafinos. As tendências em filmes cultivados em altas concentrações de nitrogênio seguem as previsões da teoria de campo médio em filmes desordenados e mostram supressão de supercondução \(T_c\) devido a efeitos geométricos, enquanto filmes de nitreto cultivados em baixas concentrações de nitrogênio se desviam fortemente dos modelos teóricos.

O TiN tem sido extensivamente estudado por suas muitas propriedades mecânicas, elétricas e ópticas úteis. Quando fabricado em dispositivos supercondutores, como ressonadores de micro-ondas de nanofios e detectores de fótons, o TiN serve como um material importante para estruturas fundamentais em circuitos elétricos quânticos, como ressonadores usados ​​para multiplexar grandes matrizes de qubits1. Foi demonstrado que o TiN atende aos critérios desejados para cálculos quânticos e detecção de fótons, como baixas perdas de RF em potências de acionamento altas e baixas, alta indutância cinética e sintonizável \(T_{c}\)1,2,3,4, 5,6,7,8. Além disso, como um nitreto supercondutor, o TiN tem uma alta supercondução \(T_{c}\), em relação ao Ti elementar e Ti\(_{2}\)N, para fases altamente estequiométricas. É um material duro, mecanicamente robusto e estável9,10,11,12. A composição dos compostos de TiN\(_{x}\) depositados pode ser variada alterando o fluxo de gás nitrogênio reativo presente durante a fabricação, onde a variação da concentração de nitrogênio não apenas ajusta o supercondutor \(T_{c}\), mas também altera a estrutura cristalina e a indutância cinética do filme12,13.

Para as concentrações mais baixas de nitrogênio, uma fase \(\alpha \)-Ti se forma inicialmente onde o nitrogênio é incorporado intersticialmente. Com pouco aumento de nitrogênio, há uma fração atômica de nitrogênio que forma a fase Ti\(_{2}\)N que é conhecida por suprimir \(T_{c}\) em compostos Ti-N14. Em seguida, no regime de maior fluxo de nitrogênio, o TiN torna-se o composto mais predominante e estável . Uma mistura das fases TiN (111) e TiN (002) pode se formar. TiN (002) é a orientação com menor energia superficial e forma grãos mais elásticos comparativamente ao TiN (111), no entanto, muitos parâmetros de deposição podem impulsionar o crescimento preferido de qualquer orientação, como pressão de deposição, polarização/temperatura do substrato, fluxo de íons, e composição do gás14,16,17. O crescimento do TiN pode ser conduzido usando uma variedade de técnicas de deposição física de vapor (PVD), incluindo pulverização catódica, evaporação e epitaxia por feixe molecular (MBE).

O MBE permite o crescimento altamente estequiométrico e ordenado de filmes multicomponentes como o TiN a baixas temperaturas dentro de um ambiente de ultra-alto vácuo , enquanto o uso de pulverização catódica reativa ou evaporação promove uma estrutura de rede mais policristalina e amorfa. As últimas técnicas oferecem crescimento mais rápido e maior rendimento ao custo de menos controle sobre a estrutura cristalina durante a deposição. No entanto, a pulverização catódica e a evaporação ainda oferecem a capacidade de cultivar filmes de alta qualidade com características desejáveis, adaptando os parâmetros de deposição9.