超导量子比特中铝超导隧道结的性能

超导隧道结约瑟夫森结是超导量子比特的基本元件.用双层光刻胶构成悬空掩模,用电子束斜蒸发的方法制备Al/Al2O3/Al隧道结,用一定的氧气气压氧化铝膜作为势垒层.势垒层质量直接影响铝超导隧道结的各项电学参数.深入研究了铝超导隧道结的超导临界电流密度Jc和面积归一化电阻Rc(正常态电阻RN与结面积的乘积)与势垒层生长条件的关系,通过改变势垒层生长的氧分压与氧化时间来控制铝超导隧道结的Jc和Rc,以使此工艺所制备的铝隧道结漏电流小,结参数易于控制,满足制备超导量子比特的要求.     

超导量子电路材料

超导量子电路由超导的电容、电感、约瑟夫森结、传输线构成,在超低温下表现出宏观量子效应.由于超导体自身的耗散极低,超导量子电路的一个重要应用研究方向是具有长相干时间的超导量子比特.超导量子电路沿用了传统集成电路的微纳米制造工艺,包含多个超导量子比特的芯片也能进行规模化加工和封装.但是,在超导量子电路的结构设计、材料制备、芯片制造、工作环境等各个环节都会引入耗散通道,限制了超导量子比特的相干性.从微观机理上分析,这其中大部分通道都与量子电路材料及表界面相关,因此从材料和工艺出发,全方位探索高质量超导量子电路的制备是进一步推进其应用的必然趋势.     

量子尺寸效应导致的金属薄膜材料的奇异超导性质

我们在硅衬底上制备出了厚度在原子尺度上可控、宏观尺度上均匀的铅薄膜。我们观察到了随着厚度一个原子层一个原子层增加时薄膜超导转变温度的振荡现象。我们证明,这种振荡行为是量子尺寸效应的结果。在这种薄膜中,电子德布罗意波的干涉行为类同于光的法布里-玻罗干涉,会导致量子阱态的形成。量子阱态的形成改变了费米能级附近的电子态密度和电声子耦合强度,从而最后导致了超导转变温度的变化。我们的工作表明:通过精确控制这种厚度敏感的量子尺寸效应,可以调制材料的物理和化学性质。量子尺寸效应导致的金属薄膜材料的奇异超导性质@张…     

超导量子计算:长退相干量子比特发展之路

超导量子计算是基于约瑟夫森结电路的固态量子计算技术方案.由于其易于扩展、耦合与操控等特点,已成为最有可能实现实用量子计算机/模拟机的候选方案之一.由于固态器件复杂的电磁环境,超导量子比特一直受到退相干时间不足的制约.本文简要介绍了超导量子比特的基本结构并重点论述了近期发展出的几种新型长退相干时间超导量子比特,包括Transmon/Xmon,Fluxonium和C-shunt Flux qubit等,整理了这几个不同设计方案在抑制电荷、磁通和准粒子等几种主要噪声来源方面做出的探索和贡献.最后,对几种主要的设计思想做了简要的归纳总结,以期对未来进一步发展提供参考和依据.     

铁基超导薄膜研究进展

铁基超导体作为一类新的高温超导体,由于其独特的性质以及与铜氧化物和传统超导体的显著区别而备受关注.铁基超导体具有比铜氧化物超导体更小的各向异性、较高的超导临界转变温度和上临界场,因此在超导薄膜的制备及应用方面具有很多优势.除此以外,铁基超导薄膜的其他特性,如其外延薄膜具有比块体样品更高的超导临界转变温度,可以形成常规固相反应条件下无法获得的亚稳相等,也引起了研究者的兴趣.本文重点论述了LnFeAs(O,F)(Ln=镧系元素)、掺杂的AEFe_2As_2(AE=碱土金属)、FeCh(Ch=硫族元素)3个体系在薄膜方面取得的成果,总结分析了铁基超导薄膜的生长、微观结构和性能之间的潜在联系,分别从铁基超导薄膜的制备、晶格结构与超导临界转变温度的关系、薄膜缺陷生长与临界电流密度的联系,以及辐照对薄膜性能的影响等方面介绍了铁基超导薄膜的研究进展.     

酸刻法制备Bi2Sr2CaCu2O8+x本征结

采用一种基于Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x单晶制备约瑟夫逊本征结的新方法——酸刻法制备本征结. 通过盐酸腐蚀的方法, 可以构造出本征结的台式结构(mesa), 同时使周围的单晶呈绝缘性. 通过选择合适的盐酸浓度, 保持了单晶表面一定的平整度, 以方便继续做顶电极. 采用四端子法测量了样品的低温电流(I)-电压(V)特性, 通过改变盐酸浓度以及浸泡时间, 可以实现对结数目的控制, 并且使mesa的厚度和单晶反应层的平均高度相一致.     

Ta/NiOx/Ni81Fe19/Ta和Co/AlOx/Co磁性薄膜中原子的化学状态

用射频／直流磁控溅射法制备了Ta/NiOx/Ni81Fe19/Ta和Co/AlOx/Co磁性薄膜,并利用X射线光电子能谱（XPS）和振动样品磁强计（VSM）研究了Ar/O2比与NiOx化学状态以及Ta/NiOx/Ni81Fe19/Ta薄膜磁性之间的关系。结果表明：当溅射气压为0．47Pa,Ar/O2为7：1时,制备的NiOx中的x≌1,镍为＋2价,相应的交换耦合场（Hex）最大;Ar/O2比偏离7：1时,NiOx层中出现单质镍和＋价的镍,相应的Hex也下降,单质镍的出现还会增大该磁性薄膜的矫顽力（Hc）,用XPS还研究了Co/AlOx/Co磁性薄膜中AlOx对Co膜的覆盖状况,Al层将Co膜完全覆盖所需要的最小厚度约1．8nm,采用角分辨XPS方法测出的Al的氧化物为Al2O3,氧化厚度为1．2nm。     

用激光扫描方法改善超导薄膜的厚度均匀性

随着高T_c超导薄膜的成功制备,人们开始着眼于它的实际应用.目前,超导薄膜最有可能得到应用的一个重要方面是微波器件.但微波器件通常要求超导薄膜的厚度均匀面积大于几个平方厘米.因而制备膜厚均匀的大面积高T_c超导薄膜是当前的一个重要的研究课题.至今为止,人们采用了各种镀膜技术来制备大面积超导薄膜,如激光消融技术磁控溅射、化学气相淀积等.文献[1,2]指出,如果不采取适当的措施,激光淀积超导薄膜的厚度分布是极不均匀的,这是因为激光在超导靶上消融的粒子束高度集中在激光消融点靶面法线方向上一个狭窄的区域内.但可通过基片扫描或旋转来改善激光波积的超导薄膜的厚度     

不同衬底温度下[Tb/Fe/Dy]n纳米多层膜的结构、磁性能及超磁致伸缩性能研究

采用多靶磁控溅射仪分别在室温和衬底温度为300℃条件下制备了具有精确组分为Tb_0.27Dy_0.73Fe₂的[Tb/Fe/Dy]_n纳米多层膜. 研究结果表明, 纳米多层膜在沉积过程中形成了微柱状结构,薄膜样品的磁性能和超磁致伸缩性能表明薄膜样品具有明显的垂直各向异性. 尽管纳米多层膜具有垂直各向异性, 但仍具有超磁致伸缩性能. 特别是衬底温度300℃制备的纳米多层膜, 由于Laves相R-Fe₂纳米晶的析出使得超磁致伸缩性能有了显著的提高. 在很小的外磁场(0.18 T)时, 衬底温度300℃条件下制备的样品超磁致伸缩值为89.3 ppm (1 ppm= 1×10^-6), 约为室温条件下制备的样品在此磁场下超磁致伸缩值23.5 ppm的4倍. 同时还研究了垂直磁各向异性薄膜的磁化过程与超磁致伸缩性能的关系.     

不同溅射条件对超薄外延氮化铌薄膜超导性能的影响

氮化铌(NbN)由于其较高的超导转变温度、较窄的转变宽度以及良好的稳定性一直被广泛地应用于低温超导器件中.因此,生长高质量的超导Nb N薄膜是制备高性能薄膜超导器件的关键及难点.本文主要介绍了利用磁控溅射法在氧化镁(MgO)100基底上生长厚度为5 nm的超薄超导外延NbN薄膜,并系统分析了溅射参数对薄膜性能的影响.实验结果表明,在合适的氮氩比或功率下,高真空、高溅射温度、低工作气压与NbN薄膜超导转变温度成正相关.采用综合物性测量系统(physical property measurement system, PPMS)进行电学分析,所制备的NbN薄膜超导最高转变温度为12.5 K.该工作为进一步研究超薄NbN薄膜的生长提供了理论指导,也为后期在其他基底上制备NbN超导器件提供了基础.     

超晶格YBa_2Cu_3O_7/PrBa_2/Cu_3O_7的X射线衍射研究

随着薄膜制备技术的发展,高质量的高温超导超晶格YBa_2Cu_3O_7/PrBa_2Cu_3O_7样品的获得为实验研究高温超导有关物性方面提供了其它试样所无法替代的可能性,其中一个非常有意义的特性是当一比较薄的YBCO超导层被PrBCO层隔开时,其T_c将随着非超导层PrBCO层的厚度增加而下降,据此在理论上也相应地提出了各种解释模型,诸如自旋极化模型、Kosterlitz-Thouless相变模型及最近临效应模型等.但所有这些理论模型都假设超晶格间     

基于PCDTBT:PC71BM的半透明高效聚合物太阳能电池

通过在聚合物电池内部加入Ag半透明增反膜,构建光学谐振腔,实现了光线在Ag薄层和金属电极之间的多次反射.这样可增加活性层对光的吸收,提高量子效率,进而大幅度提高短路电流,优化电池性能.实验中使用具有较低能带结构和宽吸收光谱的新型聚合物PCDTBT作为电子给体材料和PC71BM作为电子受体材料,通过控制薄膜生长过程和优化膜层厚度使转化效率达到5.08%.在此基础上,加入Ag作为半透明增反层,促使光线在Ag薄层和金属电极之间往复反射传输,大幅提高量子效率和短路电流.通过改变Ag薄层的厚度获得最大的短路电流密度和光电转换效率,实验得出当Ag厚度为8nm时,短路电流达到最大15.0mA/cm2,光电转换效率达到6.03%,从而达到了半透明增反层大幅提高电池性能的目的.     

Ta/NiO/NiFe/Ta的磁性及界面的结构

利用磁控反应溅射方法以Ta作为缓冲层制备了Ta/NiO/NiFe/Ta薄膜, 磁性分析表明, 该结构薄膜的交换耦合场为9.6×10磢 103 A/m, 但是所需NiO的实际厚度增加了. 采用X射线光电子能谱研究了Ta/NiO/Ta界面, 并进行计算机谱图拟合分析. 结果表明界面反应是影响层间耦合的一个重要因素. 在Ta/NiO界面处发生了反应: 2Ta 5NiO = 5Ni Ta2O5, 使得界面有"互混层"存在. X射线光电子能谱深度剖析表明Ni NiO的混合层厚度约8~10 nm, 从而导致NiO钉扎实际厚度增加.     

非故意掺杂与半绝缘GaN缓冲层上的AlGaN/GaN异质结构的高温电子输运特性

研究了非故意掺杂(UID)与半绝缘(SI)GaN缓冲层(BL)上的Al0.35Ga0.65N/GaN异质结构高温下的电子输运特性,应用Hall效应系统地测量了样品在高温下的电子面密度和电子迁移率随温度变化的关系.实验发现,高温下AlGaN/GaN异质结构的电子迁移率主要受到LO声子散射的作用,其中,UID-BL样品的电子面密度随温度升高而逐渐上升,SI-BL样品的电子面密度则随温度升高呈现先下降再平衡后上升的规律.对相应的未生长AlGaN势垒层的本征GaN薄膜的高温电阻特性分析表明,随着温度的升高,UID-BL样品的电子迁移率受到背景载流子的影响逐渐增大;SI-BL样品的电子迁移率在室温附近受附加位错散射的影响较大,600K以后受背景载流子的影响缓慢增强,这对于研究AlGaN/GaN异质结构器件的高温特性具有很好的参考意义.另外,由理论计算可知,高温下二维电子气(2DEG)逐渐向势垒层和缓冲层内部扩展,电子在第一子带的占据从室温下的86%下降到700K时的81%.     

N+注入硅RTA样品的蓝绿光发射

自发现多孔硅在室温下可以发射可见光以来,人们对量子尺寸限制效应的研究兴趣剧增。由于多孔硅结构疏松,不利于广泛应用,人们开始将注意力转移到纳米硅薄膜的研究。朱美芳等人利用非晶硅薄膜快速退火处理,获得连续纳米硅薄膜,并观察到蓝绿光发射,但在脱氢过程中,纳米硅薄膜易损坏。本文通过高剂量N~+注入到硅基体上,经快速退火形成硅与氮化硅镶嵌结构的大面积的纳米硅薄膜,T≥1000℃退火后的样品,观测到有稳定的蓝绿光(500～610nm)发射。     

新结构SrGa2S4:Ce蓝色TFEL研究

用电子束蒸发制备了新型的SrGa2 S4 ∶Ce薄膜电致发光器件 ,获得了稳定的、色纯度较好的蓝色发光 .在这种结构中 ,介质层的介电常数比传统结构的器件低得多 ,且低于发光层的介电常数 ,这有利于电子在SiO和SiO2 层中的预热和加速     

二维过渡金属硫族化合物的研究进展

二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)是继石墨烯之后的新型范德瓦耳斯材料,由于其天然的二维特性以及强自旋轨道耦合作用(spin-orbital coupling, SOC),导致诸如金属-绝缘体转变、电荷密度波(charge density wave, CDW)、能谷电子学、非常规超导电性等新颖物理性质的出现,使得这类材料成为研究低维量子物理的又一理想平台.其中能谷电子学与拓扑超导已经成为近年来凝聚态物理前沿研究的热点方向.本文在综述TMDCs材料的结构与基本物理性质的基础上,重点介绍了最近发展的用于生长原子层厚度的TMDCs材料的熔盐辅助化学气相沉积方法、在Se掺杂的MoSexTe_2-x薄膜中实现的T_d相到1T′相再到2H相的结构相变与超导增强现象,以及在少层T_d-MoTe₂中发现的非对称性SOC作用引起的类伊辛超导现象.最后,展望了TMDCs材料的潜在应用与可能存在的拓扑超导.     

含有p-GaN 纳米阵列的InGaN/GaN 双异质结太阳能电池的制作

提出了一种提高p-GaN/i-InGaN/n-GaN 双异质结太阳能电池外量子效率的方法,即将p-GaN 刻蚀成纳米阵列结构. 我们使用Ni 退火形成微结构掩模, 通过感应耦合等离子体(ICP)将p-GaN 刻蚀纳米阵列结构. 同时, 提出了两步刻蚀n-GaN 台面的制作工艺, 以此在形成p-GaN 纳米阵列结构时获得光滑的n-GaN 层表面, 以此改善后续金属电极的沉积. 经测试, 含有p-GaN纳米阵列结构的电池峰值外量子效率可达55%, 比常规p-GaN 膜层基InGaN/GaN 太阳能电池的外量子效率提高了10%.     

种子层对FeCoNd薄膜的磁性影响研究

采用磁控共溅射方法制备了不同种子层的(Fe10Co90)80Nd20磁性薄膜,研究了种子层对结构和磁性的影响.结果表明,对于相同厚度的薄膜样品,Ta为种子层的样品没有面内各向异性,矫顽力(Hc)达91Oe(1Oe=79.58A/m),表面磁畴为条纹畴结构,具有弱的垂直各向异性;Cu为种子的样品,Hc为30Oe,样品具有面内磁各向异性,各向异性场为60Oe,磁谱测量显示自然共振频率为2.7GHz.对样品进行真空磁场热处理后静态磁测量结果表明,Ta为种子层的样品的磁性及磁畴结构都没有明显变化;Cu为种子层的样品的Hc随退火温度的升高先减小后增大,表面磁畴由制备态的局域条纹畴变为连续的条纹畴结构.