基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，其特征在于包括：拓扑绝缘体材料，包括上表面和下表面；由超导材料构成的顶超导电极和底超导层，分别与所述上表面接触和下表面接触。该器件利用了拓扑绝缘体表面态的自旋动量锁定特性，并结合超导特性构成了一种全新的超导量子干涉器件，该器件利用超导量子干涉环中的相位调制作用并结合双拓扑表面态来共同调控器件的性能。且该器件体积小，性能高，可以广泛应用在今后基于新一代自旋电子学的约瑟夫森超导器件中。

【技术实现步骤摘要】
基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件及制备方法
本专利技术涉及微电子器件的
，尤其是一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件及其制备方法。
技术介绍
近几十年，超导约瑟夫森器件已由最早的传统超导实验器件发展至当今的高温超导约瑟夫森器件、超导量子干涉器件等。随着人们对信息处理的高速度、高标准需求，传统的超导约瑟夫森器件已经很难满足。因此，寻找功能更新、性能更稳定的约瑟夫森器件已经成为电子信息技术和新一代量子计算技术迫切需要考虑和解决的问题。近些年的研究也发现，一些具有自旋分离或自旋动量锁定特性的材料可以广泛应用于超导自旋电子器件的研制和开发中。由于这类材料具有特殊的空间结构和能带结构，其自旋输运性质和超导性质较以往传统的超导电子器件具有明显地差异，而这类器件的出现将大大弥补传统基于绝缘体材料和超导材料所设计出的约瑟夫森器件不足，有望成为下一代用于高性能超导电子线路的主要元器件。超导约瑟夫森量子器件的种类很多，其中包括具有开关效应的超导约瑟夫森器件和具有相位调节功能的约瑟夫森器件。近些年随着越来越多新型超导材料的出现，寻找合适的材料来实现高性能相位调节的约瑟夫森效应器件仍存在很多的瓶颈，除了在工业上器件的制备困难，成本高，效率差，还存在如何发展性能更多、稳定性更好的功能性超导约瑟夫森器件。尤其近些年来随着量子计算的发展。调控马约拉那费米子等高技术的超导约瑟夫森器件也在逐步地探索和研发。而基于拓扑超导的约瑟夫森器件是比较有代表性的一种。随着分子束外延技术的日趋成熟，人们可以在多种功能性材料体系里通过邻近效应等手段来实现材料的超导。近些年利用拓扑绝缘体的上下表面自旋动量锁定的表面态，并利用传统的超导材料的邻近效应来诱导拓扑绝缘体的表面超导并形成拓扑超导体，从而实现这种高性能的拓扑超导约瑟夫森器件的开发。当前基于双表面的超导约瑟夫森器件主要是一些传统的约瑟夫森器件，而传统的约瑟夫森器件由于隧道结为普通金属。其体内缺少拓扑绝缘体材料中的手性边缘态，因此在未来的器件应用上不具有调控马约拉那费米子的特性。然而在文献报道中单拓扑超导表面的拓扑超导体器件由于拓扑绝缘体材料的上下两个表面不能全部诱导为拓扑超导相，其非库珀对的正常电子会大幅度地降低库伯对的相干性和拓扑超导的相干特性。从而导致最终的马约拉那费米子调控器件退相干而失效。
技术实现思路
基于上述背景，本专利技术利用超导邻近效应的原理在拓扑绝缘体的表面引入超导，从而制备具有双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件。该专利技术同时提供这种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件的制备方法。根据本专利技术的一方面，提供一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，包括：拓扑绝缘体材料，包括上表面和下表面；由超导材料构成的顶超导电极和底超导层，分别与所述上表面接触和下表面接触。在进一步的实施方案中，所述的拓扑绝缘体的上下两个表面和所述的顶超导电极和底超电极之间的连线垂直所述拓扑绝缘体上下两个表面与所述的拓扑绝缘体的体材料同属于一种材料。在进一步的实施方案中，所述拓扑绝缘体材料中含义掺杂材料，优选的所述掺杂材料为钙或锑；优选的锑掺杂浓度介于20％至80％之间。在进一步的实施方案中，所述拓扑绝缘体的厚度介于1纳米至8纳米之间。在进一步的实施方案中，所述底超导电极和顶超导电极材料分别为氮化铌,氮化钛,铅或铟超导材料；所述拓扑绝缘体体材料包括三硒化二铋或三碲化二铋。在进一步的实施方案中，还包括第一引出电极和第二引出电极，分别连接所述顶超导电极和底超导电极，所述第二引出电极的至少一部分从下表面、上表面上和顶超导电极垂直穿出。在进一步的实施方案中，所述穿出部分的电极截面为方块图形，该方块图形的边长介于4微米～15微米之间。在进一步的实施方案中，包括四引线，有两引线连接至第一引出电极，另外两引线连接第二引出电极。本专利技术的另一方面，还提供一种基于双表面拓扑超导材料的约瑟夫森效应器件的制备方法，包括步骤：制备底超导电极；在底超导电极层上沉积拓扑绝缘体材料；在拓扑绝缘体表面溅射顶超导电极。在进一步的实施方案中，在拓扑绝缘体表面溅射顶超导电极层之后还包括制备引出电极步骤：在顶超导电极上制备引出电极的钛金电极层；刻蚀约微米量级的方块图形；在方形图形的样品上蒸镀氧化层；在氧化层上套刻钛金引出电极；刻蚀顶超导电极，刻蚀深度控制在底超导电极层上；套刻引出钛金电极以连接底超导电极。在进一步的方案中，在底超导电极层上沉积拓扑绝缘体材料包括：在低温(160℃至200℃)下沉积1～2层的拓扑绝缘体材料并退火；在高温(250℃至300℃)下进一步生长拓扑绝缘体薄膜层。通过对拓扑绝缘体的掺杂浓度调节，实现拓扑绝缘体材料费米面的调控，在本实施例当中，锑的掺杂浓度可以在20％至80％的范围内对拓扑绝缘体化学势进行调控。其拓扑绝缘体可以实现电子型和空穴型之间转换。该调控有助于对拓扑绝缘体费米面的调控，其载流子大小和类型的改变可以调控超导库伯对，从而对该器件的超导约瑟夫森效应产生一定的影响通过对拓扑绝缘体厚度的调节，其拓扑绝缘体的厚度可以在1纳米至8纳米之间调控，其拓扑绝缘体的拓扑性质也会随着厚度的变化产生调控。由于在低层厚的拓扑绝缘体上，表面的相互作用会导致拓扑表面态消失；随着层厚的增加，拓扑表面态出现；而随着层厚的继续增加会导致约瑟夫森效应减弱，因此利用层厚可以控制该器件的拓扑相变和超导相变。本专利技术所提供的上述基于双表面拓扑表面态超导特性的约瑟夫森器件其约瑟夫森效应很稳定，受衬底的类型，超导材料的种类和拓扑绝缘体的类型影响小。由于器件体积小，性能高，可以广泛地应用在未来纳米材料的电子线路和量子电路设计中。例如可用于基于拓扑超导体的自旋约瑟夫森器件开关以及马约拉纳量子计算元件等。附图说明图1是本专利技术实施例基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件的原理示意图；图2A和图2B分别是本专利技术实施例实际组装后器件俯视和截面的结构示意图；图3A是本专利技术实施例实际组装后器件各部位的实物图；图3B是图3A圆圈部分的放大示意图；图4是本专利技术实施例在氧化铝衬底上铌薄膜上拓扑绝缘体器件的约瑟夫森效应的电流-电压曲线；图5A和图5B是本专利技术实施例使用两步法在铌衬底上生长出的拓扑绝缘体薄膜的反射高能电子衍射图，图5A是在超导铌衬底上生长，图5B是在超导氮化铌衬底上生长；图6A-6D是本专利技术实施例利用掺杂和层厚对拓扑绝缘体调控的角度分解的光电子能谱图；图6A和图6B分别是锑掺杂为0.2和0.5的情况。图6C和图6D分别是1纳米拓扑绝缘体薄膜和2纳米拓扑绝缘体薄膜的情况；图7是本专利技术实施例基于双表面拓扑超导材料的约瑟夫森效应器件的制备方法流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。根据本专利技术基本构思，将拓扑绝缘体材料的绝缘体相作为隧道结，并在上下两个拓扑绝缘体表面通过邻近效应实现拓扑超导态。根据本专利技术实施例的一方面，提供一种约瑟夫森效应器件，参照图1-图3B，包括顶超导电极1和底超导电极2，作为隧道结的拓扑绝缘体材料，用于提供具有自旋动量锁定特性的拓扑上表面1和另一个拓扑下表面2。其中：拓扑绝缘体材料，包含拓扑绝缘体的体内结构，该结构位于所述的顶超导电极1和底超导电极2和拓扑绝缘体材料的上表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，其特征在于包括：拓扑绝缘体材料，包括上表面和下表面；由超导材料构成的顶超导电极和底超导层，分别与所述上表面接触和下表面接触。

【技术特征摘要】
1.一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，其特征在于包括：拓扑绝缘体材料，包括上表面和下表面；由超导材料构成的顶超导电极和底超导层，分别与所述上表面接触和下表面接触。2.根据权利要求1所述的约瑟夫森器件，其特征在于，所述的拓扑绝缘体的上下两个表面和所述的顶超导电极和底超电极之间的连线垂直所述拓扑绝缘体上下两个表面与所述的拓扑绝缘体的体材料同属于一种材料。3.根据权利要求1所述的约瑟夫森器件，其特征在于，所述拓扑绝缘体材料中含义掺杂材料，优选的所述掺杂材料为钙或锑；优选的锑掺杂浓度介于20％至80％之间。4.根据权利要求1所述的约瑟夫森器件，其特征在于，所述拓扑绝缘体的厚度介于1纳米至8纳米之间。5.根据权利要求1所述的约瑟夫森器件，其特征在于，所述底超导电极和顶超导电极材料分别为氮化铌，氮化钛，铅或铟超导材料；所述拓扑绝缘体体材料包括三硒化二铋或三碲化二铋。6.根据权利要求所述的约瑟夫森器件，其特征在于，还包括第一引出电极和第二引出电极，分别连接所述顶超导电极和底超导电极，所述第二引出电极的至少一部分从下表面、上表面上和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张汇，马小栋，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34