Условия получения сверхпроводящих пленок из нитрида ниобия титана (NbTiN) с оптимальными свойствами определил коллектив ученых из МФТИ и Института радиотехники и электроники (ИРЭ) им. В. А. Котельникова РАН, 24 октября сообщает журнал МФТИ «За науку».

Изготовленные исследователями пленки обеспечивают малую глубину проникновения магнитного поля, высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние и высокую удельную проводимость.

Полученный ими результат, который поможет синтезировать высококачественные пленки для элементов устройств сверхпроводниковой электроники, ученые представили в статье «Характеристика микроволновых свойств сверхпроводящих пленок NbTiN с использованием TDS», опубликованной в журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology.

Поскольку сверхпроводниковые электронные устройства обладают такой важнейшей характеристикой, как низкий уровень собственных «паразитных» шумов, они востребованы в исследованиях квантовых свойств частиц, определении состава веществ, обработке излучения от дальних объектов Вселенной и других областях.

Пленки из ниобия являются одними из популярных сверхпроводников. Однако их «максимальная» рабочая частота ограничена щелевой частотой ниобия и составляет 700 Гигагерц. При частоте сигнала, проходящего по такому сверхпроводнику, превышающему этот порог, происходит увеличение сопротивления пленок на два-три порядка.

Поскольку наблюдение за туманностями и звездами или мониторинг состава атмосферы по колебательным и вращательным спектрам молекул часто требуют работы соответствующих устройств на частотах выше 1 ТГц, поиск новых перспективных сверхпроводящих материалов и разработка технологий их оптимального производства являются актуальными.

Специалисты ИРЭ РАН изготовили пленки нитрида ниобия титана методом магнетронного напыления и измерили их проводимость и критическую температуру при постоянном токе.

Ученые МФТИ с помощью терагерцового спектрометра (TDS) определили основные параметры этих пленок, а именно: температуру перехода в сверхпроводящее состояние, величину энергетической щели, глубину проникновения магнитного поля и проводимость.

Аналогичное исследование японских коллег было проведено для более тонких пленок нитрида ниобия и нитрида ниобия титана, которые нельзя использовать для изготовления электродов сверхпроводниковых линий передачи сигнала в приемных устройствах терагерцового диапазона.

Увеличение толщины пленок изменяет их структуру, поэтому параметры образцов из одного материала, но разной толщины будут иметь заметные различия. Кроме того, обычно толщина электродов берется большей, чем глубина проникновения магнитного поля, иначе потери в линии возрастут.

Поэтому исследование российских ученых было направлено на изучение свойств сверхпроводящих пленок, по всем параметрам соответствующим требованиям к электродам сверхпроводниковых линий.

Научный сотрудник ИРЭ РАН Федор Хан рассказал о проведенном исследовании:

«Мы хотели определить оптимальные условия изготовления пленок, для этого меняли концентрацию азота в камере магнетрона. Эта концентрация определяет состав пленки и скорость ее роста, что отражается на свойствах. Мы нашли оптимальное значение, которое позволило, с одной стороны, получить пленку с достаточно небольшой глубиной проникновения магнитного поля, с другой стороны — достаточно высокую критическую температуру и проводимость».

Для количественного описания свойств сверхпроводниковых пленок на терагерцовых частотах учеными были применены несколько моделей. В их числе стандартная модель Маттиса — Бардина и расширенная модель Циммермана, учитывающая конечное время свободного пробега электронов, неизбежно присутствующих в сверхпроводниках при ненулевой температуре.

Также исследователи рассмотрели модель, учитывающую влияние магнитных примесей и структурных неоднородностей в пленках, из-за которых может происходить распад куперовских пар и повышение сопротивления. В результате было установлено, что модель Циммермана дает достаточно неплохое количественное описание.

Полученные результаты помогут другим научным группам воспроизводить пленки с оптимальными параметрами, что ускорит разработку сверхпроводниковых электронных устройств.