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Apr 23, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6315 (2023) Citare questo articolo

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Il nitruro di titanio è un materiale di interesse per molti dispositivi superconduttori come risonatori a microonde a nanofili e rilevatori di fotoni. Pertanto, il controllo della crescita di film sottili di TiN con proprietà desiderabili è di grande importanza. Questo lavoro mira a esplorare gli effetti nello sputtering assistito da fascio ionico (IBAS), se si osserva un aumento della temperatura critica nominale e i campi critici superiori sono in tandem con il lavoro precedente sul nitruro di niobio (NbN). Coltiviamo film sottili di nitruro di titanio sia con il metodo convenzionale dello sputtering magnetron reattivo DC che con il metodo IBAS, per confrontare le loro temperature critiche superconduttrici \(T_{c}\) in funzione dello spessore, della resistenza del foglio e della portata di azoto. Eseguiamo caratterizzazioni elettriche e strutturali mediante misure di trasporto elettrico e diffrazione di raggi X. Rispetto al metodo convenzionale di sputtering reattivo, la tecnica IBAS ha dimostrato un aumento del 10% della temperatura critica nominale senza variazioni apprezzabili nella struttura reticolare. Inoltre, esploriamo il comportamento del superconduttore \(T_c\) nei film ultrasottili. Le tendenze nei film cresciuti ad alte concentrazioni di azoto seguono le previsioni della teoria del campo medio in film disordinati e mostrano la soppressione della superconduzione \(T_c\) a causa di effetti geometrici, mentre i film di nitruro cresciuti a basse concentrazioni di azoto si discostano fortemente dai modelli teorici.

Il TiN è stato ampiamente studiato per le sue numerose utili proprietà meccaniche, elettriche e ottiche. Quando fabbricato in dispositivi superconduttori come risonatori a microonde a nanofili e rilevatori di fotoni, il TiN funge da materiale importante per le strutture fondamentali nei circuiti elettrici quantistici, come i risonatori utilizzati per multiplexare grandi matrici di qubit1. È stato dimostrato che il TiN soddisfa i criteri desiderati per i calcoli quantistici e il rilevamento di fotoni, come basse perdite RF sia a potenze di pilotaggio elevate che basse, elevata induttanza cinetica e \(T_{c}\)1,2,3,4, 5,6,7,8. Inoltre, come nitruro superconduttore, il TiN ha un alto valore superconduttivo \(T_{c}\), rispetto al Ti elementare e al Ti\(_{2}\)N, per fasi altamente stechiometriche. È un materiale duro, meccanicamente robusto e stabile9,10,11,12. La composizione dei composti TiN\(_{x}\) depositati può essere variata modificando il flusso di gas di azoto reattivo presente durante la fabbricazione, dove variando la concentrazione di azoto non solo si sintonizza il superconduttore \(T_{c}\), ma anche altera la struttura cristallina del film e l'induttanza cinetica12,13.

Per le concentrazioni di azoto più basse, inizialmente si forma una fase \(\alfa \)-Ti in cui l'azoto viene incorporato interstizialmente. Con un piccolo aumento di azoto, c'è una frazione atomica di azoto che forma la fase Ti\(_{2}\)N che è nota per sopprimere la \(T_{c}\) nei composti Ti-N14. Successivamente, nel regime di flusso di azoto più elevato, il TiN diventa il composto predominante e stabile15. Può formarsi una miscela delle fasi TiN (111) e TiN (002). TiN (002) è l'orientamento con energia superficiale inferiore e forma grani più elastici rispetto al TiN (111), tuttavia, molti parametri di deposizione possono guidare la crescita preferita di entrambi gli orientamenti come la pressione di deposizione, la polarizzazione/temperatura del substrato, il flusso ionico, e composizione del gas14,16,17. La crescita del TiN può essere condotta utilizzando una varietà di tecniche di deposizione fisica in fase di vapore (PVD), tra cui sputtering, evaporazione ed epitassia a fascio molecolare (MBE).

MBE consente una crescita altamente stechiometrica e ordinata di film multicomponente come TiN a basse temperature all'interno di un ambiente ad altissimo vuoto18, mentre l'uso dello sputtering o dell'evaporazione reattiva promuove una struttura reticolare più policristallina e amorfa. Queste ultime tecniche offrono una crescita più rapida e una maggiore produttività al costo di un minore controllo sulla struttura cristallina durante la deposizione. Tuttavia, lo sputtering e l'evaporazione offrono ancora la possibilità di sviluppare film di alta qualità con caratteristiche desiderabili personalizzando i parametri di deposizione9.