Ion

Apr 23, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6315 (2023) Citer cet article

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Le nitrure de titane est un matériau intéressant pour de nombreux dispositifs supraconducteurs tels que les résonateurs micro-ondes à nanofils et les détecteurs de photons. Ainsi, contrôler la croissance de films minces de TiN présentant des propriétés souhaitables est d’une grande importance. Ce travail vise à explorer les effets de la pulvérisation assistée par faisceau d'ions (IBAS), où une augmentation observée de la température critique nominale et des champs critiques supérieurs sont en tandem avec des travaux antérieurs sur le nitrure de niobium (NbN). Nous cultivons des films minces de nitrure de titane par la méthode conventionnelle de pulvérisation magnétron réactive DC et la méthode IBAS, pour comparer leurs températures critiques supraconductrices \(T_{c}\) en fonction de l'épaisseur, de la résistance de la feuille et du débit d'azote. Nous effectuons des caractérisations électriques et structurelles par mesures de transport électrique et de diffraction des rayons X. Par rapport à la méthode conventionnelle de pulvérisation réactive, la technique IBAS a démontré une augmentation de 10 % de la température critique nominale sans variation notable de la structure du réseau. De plus, nous explorons le comportement du \(T_c\) supraconducteur dans les films ultra-minces. Les tendances dans les films cultivés à des concentrations élevées d'azote suivent les prédictions de la théorie du champ moyen dans les films désordonnés et montrent la suppression du \(T_c\) supraconducteur en raison d'effets géométriques, tandis que les films de nitrure cultivés à de faibles concentrations d'azote s'écartent fortement des modèles théoriques.

Le TiN a été largement étudié pour ses nombreuses propriétés mécaniques, électriques et optiques utiles. Lorsqu'il est fabriqué dans des dispositifs supraconducteurs tels que des résonateurs micro-ondes à nanofils et des détecteurs de photons, le TiN constitue un matériau important pour les structures fondamentales des circuits électriques quantiques, tels que les résonateurs utilisés pour multiplexer de grands réseaux de qubits1. Il a été démontré que TiN répond aux critères souhaités pour les calculs quantiques et la détection de photons, tels que de faibles pertes RF à des puissances motrices élevées et faibles, une inductance cinétique élevée et un \(T_{c}\)1,2,3,4 accordable. 5,6,7,8. De plus, en tant que nitrure supraconducteur, TiN a un \(T_{c}\) supraconducteur élevé, par rapport au Ti élémentaire et au Ti\(_{2}\)N, pour les phases hautement stoechiométriques. C'est un matériau dur, mécaniquement robuste et stable9,10,11,12. La composition des composés TiN\(_{x}\) déposés peut être modifiée en modifiant le flux d'azote gazeux réactif présent lors de la fabrication, où la variation de la concentration en azote ajuste non seulement le \(T_{c}\ supraconducteur), mais également modifie la structure cristalline et l'inductance cinétique du film12,13.

Pour les concentrations d’azote les plus faibles, une phase \(\alpha \)-Ti se forme initialement là où l’azote est incorporé de manière interstitielle. Avec une faible augmentation de l'azote, il existe une fraction atomique d'azote qui forme la phase Ti\(_{2}\)N qui est connue pour supprimer \(T_{c}\) dans les composés Ti-N14. Ensuite, dans le régime de flux d’azote plus élevé, TiN devient le composé le plus prédominant et le plus stable15. Un mélange des phases TiN (111) et TiN (002) peut se former. TiN (002) est l'orientation avec une énergie de surface plus faible et forme des grains plus élastiques que TiN (111). Cependant, de nombreux paramètres de dépôt peuvent conduire à la croissance préférée de l'une ou l'autre orientation, tels que la pression de dépôt, la polarisation/température du substrat, le flux ionique, et la composition du gaz14,16,17. La croissance du TiN peut être réalisée à l'aide de diverses techniques de dépôt physique en phase vapeur (PVD), notamment la pulvérisation cathodique, l'évaporation et l'épitaxie par jet moléculaire (MBE).

Le MBE permet une croissance hautement stœchiométrique et ordonnée de films multi-composants comme le TiN à basse température dans un environnement ultra-vide18, tandis que l'utilisation de la pulvérisation réactive ou de l'évaporation favorise une structure de réseau plus polycristalline et amorphe. Ces dernières techniques offrent une croissance plus rapide et un débit plus élevé au prix d'un contrôle moindre sur la structure cristalline lors du dépôt. Cependant, la pulvérisation cathodique et l’évaporation offrent toujours la possibilité de faire croître des films de haute qualité présentant des caractéristiques souhaitables en adaptant les paramètres de dépôt9.