YBCO纳米约瑟夫森超导隧道结的He离子显微镜（HIM）

高温超导体可大大降低器件对工作条件的要求，工作于液氮环境并节约能源，在高性能计算、高频传感以及高灵敏信号测量等方面具有潜在的应用。然而，高温超导体的超导连续长度通常极短且各向异性，如YBCO材料，在a–b面内其值约2 nm，沿c轴约0.2 nm，使得其电学性质在原子尺度下对化学环境的改变与结构缺陷极为敏感。这决定了在器件构建上需要原子尺度可控、可重复、精准的大批量高温超导约瑟夫森隧道结（HTS STJs）的加工技术。目前已报导的有采用电子束辐照或者是掩膜离子注入获得隧道结的加工方法，所加工的器件的弱关联结的面积远远大于其超导连续长度或隧穿长度，而且通常结的宽度可达100 nm，从而导致约瑟夫森电流只能通过超导近邻效应传输。另外，被辐照区域T_c降低，T_c以上约瑟夫森隧道结的品质因子(V_C=I_Cx R_N)很小。为提高品质因子，需要将隧道结缩小一个数量级，并减少横向缺陷。此外，目前辐照制备的器件，存在零偏压下非约瑟夫森过电流。根据BTK模型，隧穿概率与介质层厚度成指数关系，为增大约瑟夫森电流，最大限度的抑制过电流，需要加工几纳米尺度的强势垒，以满足隧穿发生的必要条件。

YBCO对辐照非常敏感，粒子束辐照可产生无序态且随着辐照剂量的增加，可从超导向绝缘体转变，这为基于YBCO材料的瑟夫森隧道结的辐照加工提供了理论基础。FIB可以通过溅射对材料表面进行定点刻蚀，还可通过离子源的注入对衬底形成掺杂，用于材料的改性、调制与特种器件的制作。但目前Ga+ FIB无法满足加工中控制精度与低缺陷等要求。最近几年逐渐发展起来的气态场发射He离子显微镜（HIM）具有亚纳米的束斑尺寸，亚皮安级的离子束流，因而可获得原子尺度的加工精度，进行纳米尺度的精准加工。鉴此，最近美国加利福尼亚圣地亚哥大学分校物理系氧化物纳米电子实验室的Cybart等开发了一种通过聚焦He离子辐照所产生的局部损伤在YBCO超导纳米电极的夹层中形成了强关联隧道结的方法。首先在YBCO上采用常规光学光刻制备接触电极块以及4微米宽的窄条，并在其上原位沉积Au；然后将待加工隧道结的局部区域的金刻蚀掉并将YBCO薄膜减薄至约30 nm；之后利用He离子显微镜系统，采用加速电压为30 keV，束斑直径为0.5 nm的He离子束沿4 µm宽的YBCO线条横向扫描，通过调节离子剂量, 使薄膜从超导向绝缘体转变，形成约1 nm的隧道结（图1）。所制备的器件特性如图2所示，在低剂量下（2 × 10¹⁶ He⁺/ cm²）形成的SNS结电输运以安德鲁反射电流为主，高剂量时（6 × 10¹⁶ He⁺/ cm²）形成绝缘态。结果显示，通过He离子辐照，可以在YBCO高温超导体薄膜中形成亚纳米尺寸的绝缘层。这些实验结果为高温超导纳米器件研究提供了新手段。相关研究结果发表在近期的Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/NNANO.2015.76 (2015)上。

图1：HIM辐照加工YBCO约瑟夫森结过程：a,蓝宝石衬底上的Au/YBCO薄膜结构； b,约瑟夫森结加工前的放大图；c, He⁺ FIB扫过YBCO窄条形成隧道结的示意图。

图2：HIM辐照剂量对结输运特性的调制作用：a-b, 低剂量SNS的特性；c-d，高剂量SIS的特性。