一种约瑟夫森结器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种约瑟夫森结器件，包括：非超导介质膜和位于所述非超导介质膜之上的彼此间隔的第一超导介质膜和第二超导介质膜，还包括在所述第一超导介质膜和第二超导介质膜之间的至少一个正常金属电极，所述正常金属电极与所述非超导介质膜直接接触，并且与所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜分别彼此绝缘。本发明专利技术的约瑟夫森结器件能够实现结区相位差的探测，尤其可以测量射频超导量子干涉器中约瑟夫森结的结区相位差，操作简单，成本低廉。

A Joseph junction device and its fabrication method

The present invention provides a Joseph junction device, including: non superconducting dielectric film and the first film in the non superconducting medium above the superconducting film spaced and second superconducting dielectric film also includes at least one normal metal electrode between the first and second superconducting superconducting medium film dielectric film, non direct contact the normal metal electrode and the superconducting dielectric film and are respectively connected with the first superconducting dielectric film and the second superconducting dielectric film insulated from each other. The Joseph junction device of the invention can realize the detection of junction phase difference, especially measuring the junction phase difference of Joseph junction in the radio frequency superconducting quantum interference device, which has the advantages of simple operation and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种约瑟夫森结器件及其制备方法
本专利技术涉及约瑟夫森结，尤其涉及一种可探测结区相位差的约瑟夫森结器件及其制备方法。
技术介绍
约瑟夫森结以及包含约瑟夫森结的超导量子干涉器(SQUID)主要应用于物理、化学、材料、地质、生物、医学等领域中的小磁场精确测量，如地磁场探测，人体心脏、大脑等器官的生物电磁波测量，岩石磁力，材料低温下的磁化率等。其精度最高可达到10-14T，是目前灵敏度最高的磁敏感传感器。此外，在当今凝聚态物理领域，将拓扑绝缘体(TI)用于约瑟夫森结器件可实现拓扑量子计算。TI是一种具有线性色散关系的手性半导体材料，利用超导体(S)和TI构成的S-TI-S约瑟夫森结在结区相位差达到π时，可以实现马约拉纳束缚态(MBS)。利用MBS将可以实现拓扑量子计算，成为未来信息技术发展的基础。因此，控制和探测约瑟夫森结的结区相位差，对于其在现有领域以及未来的量子计算领域的应用至关重要。控制结区相位差可以通过给结区外加磁场的方式来实现；也可以将约瑟夫森结构建在超导环路中，形成具有一个结的射频超导量子干涉器(rf-SQUID)结构或者具有多个结的超导量子干涉器(SQUID)结构，通过给超导环路中加磁场进而实现对干涉器中约瑟夫森结的相位差控制。而探测结区相位差，现有的方法是通过测量约瑟夫森结或者SQUID干涉器的电流相位关系，即测量超导器件的结区临界电流随磁场的变化，进而计算出器件结区临界电流随结区相位差的变化，从而得到器件中约瑟夫森结的相位差。但是对于rf-SQUID器件等具有特殊结构的器件，由于超导环路对电流的短路效果，无法测量器件的结区临界电流。因此对于rf-SQUID等器件，现有的方法将无法探测其约瑟夫森结的结区相位差。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种约瑟夫森结器件，其能够探测约瑟夫森结的结区相位差。本专利技术的约瑟夫森结器件包括：非超导介质膜和位于所述非超导介质膜之上的彼此间隔的第一超导介质膜和第二超导介质膜，还包括在所述第一超导介质膜和第二超导介质膜之间的至少一个正常金属电极，所述正常金属电极与所述非超导介质膜直接接触，并且与所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜分别彼此绝缘。根据本专利技术的约瑟夫森结器件，优选地，还包括覆盖所述超导介质膜和非超导介质膜的绝缘层，所述绝缘层具有至少一个暴露出所述非超导介质膜的开口，所述正常金属电极跨越所述开口。根据本专利技术的约瑟夫森结器件，优选地，所述绝缘层的材料为过曝光的PMMA胶。根据本专利技术的约瑟夫森结器件，优选地，所述正常金属电极的材料为钯或金。根据本专利技术的约瑟夫森结器件，优选地，所述正常金属电极为圆柱形。根据本专利技术的约瑟夫森结器件，优选地，所述正常金属电极为两个或三个。根据本专利技术的约瑟夫森结器件，优选地，所述第一超导介质膜和第二超导介质膜之间的间隔为1.2μm，所述正常金属电极的截面直径为700～800nm。根据本专利技术的约瑟夫森结器件，优选地，所述正常金属电极与所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜的间隔相等。本专利技术还提供了制备约瑟夫森结器件的方法，包括如下步骤：步骤一：制备非超导介质膜；步骤二：制备附着在非超导介质膜上的彼此间隔的第一超导介质膜和第二超导介质膜；步骤三：在所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜之间制备至少一个正常金属电极；其中，所述正常金属电极与所述非超导介质膜直接接触，并且与所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜分别彼此绝缘。根据本专利技术的制备约瑟夫森结器件的方法，优选地，所述步骤二还包括在所述非超导介质膜和所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜上制备绝缘层的步骤，所述绝缘层上具有至少一个暴露出所述非超导介质膜的开口，所述正常金属电极跨越所述开口。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：可以针对任何形式的约瑟夫森结相关器件，尤其是射频超导量子干涉器，进行结区相位差测量；测量方式简单，无需测量如环境磁场、器件电流相位关系等物理量，能够直接测量出器件中的结区相位差。附图说明以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中：图1为根据本专利技术的第一实施例的约瑟夫森结器件的俯视图；图2为根据本专利技术的第一实施例的约瑟夫森结器件的截面视图；图3为根据本专利技术的第一实施例的约瑟夫森结器件的扫描电镜图片；图4为根据本专利技术的第一实施例的约瑟夫森结器件的结区相位差测量的工作原理图；图5为根据本专利技术的第二实施例的超导量子干涉器的俯视图；图6为根据本专利技术的第二实施例的超导量子干涉器的扫描电镜图片；图7为根据本专利技术的第二实施例的射频超导量子干涉器的俯视图；图8为根据本专利技术的第二实施例的射频超导量子干涉器的扫描电镜图片；图9为根据本专利技术的约瑟夫森结器件的制备工艺流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。第一实施例本实施例提供一种约瑟夫森结器件，如图1和图2所示，图1为本实施例的约瑟夫森结器件的俯视图，图2为沿图1的AA’线截取的约瑟夫森结器件的截面视图。为了简单起见，图1仅示出了超导介质膜31和32以及它们之间的三个正常金属电极5。具体地参见图2，本实施例的约瑟夫森结器件包括Si/SiO2衬底1、厚度为100nm的碲化铋(Bi2Te3)非超导介质膜2、附着在Bi2Te3非超导介质膜上的两个彼此间隔1.2μm的厚度为100nm的铅(Pb)超导膜31和32，非超导介质膜2以及超导膜31和32构成传统的约瑟夫森结，其可以用现有技术的任意类似结构的超导约瑟夫森结来替代。本实施例的超导约瑟夫森结器件还包括：覆盖Pb超导膜和Bi2Te3非超导膜的厚度为100nm的过曝光的PMMA绝缘层4、所述超导膜31和32之间的绝缘层4的直径为700～800nm的圆形开口(在附图中未标注，其位置与金属电极5的位置对应)、以及跨越所述开口并与所述Bi2Te3非超导介质膜2接触的厚度为200nm的钯(Pd)金属电极5。本领域技术人员很容易理解，图2所示出的截面视图截取了图1中的三个正常金属电极中的一个，对于另外两个金属电极，截取所得到的截面视图具有类似的结构。图3为本实施例的约瑟夫森结器件的扫描电镜图片。下面具体地介绍本实施例的约瑟夫森结器件的探测结区相位差的原理。参照图4，图4为根据本专利技术的标准三端法测量配置图。由于超导临近效应，约瑟夫森结器件的超导介质膜31和32之间(结区)的非超导介质膜2会被诱导成超导态。而正常金属电极5与结区中的非超导介质膜2的接触电阻R接触，受到所述非超导介质膜2的具体的电阻R2、临近效应诱导成的超导态强度的直接影响。而所述临近效应诱导的超导态强度受到结区相位差的调制，因此，测量所述正常金属电极5与所述结区非超导介质膜2的接触电阻R接触就可以探测约瑟夫森结器件的超导介质膜31和32之间的结区相位差接触电阻的具体测量方法为标准三端法，将电流从所述正常金属电极5引到本实施例的器件中的一个电极(该电极可以是器件中除正常金属电极5以外的任何一个电极，超导与非超导均可，针对第一实施例可以是超导介质膜电极31)形成一个完整的电流回路(本领域技术人员公知的是,所加电流需小于超导约瑟夫森结的临界电流，具体针对第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种约瑟夫森结器件，包括：非超导介质膜和位于所述非超导介质膜之上的彼此间隔的第一超导介质膜和第二超导介质膜，还包括在所述第一超导介质膜和第二超导介质膜之间的至少一个正常金属电极，所述正常金属电极与所述非超导介质膜直接接触，并且与所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜分别彼此绝缘。

【技术特征摘要】
1.一种约瑟夫森结器件，包括：非超导介质膜和位于所述非超导介质膜之上的彼此间隔的第一超导介质膜和第二超导介质膜，还包括在所述第一超导介质膜和第二超导介质膜之间的至少一个正常金属电极，所述正常金属电极与所述非超导介质膜直接接触，并且与所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜分别彼此绝缘。2.根据权利要求1所述的约瑟夫森结器件，还包括覆盖所述超导介质膜和非超导介质膜的绝缘层，所述绝缘层具有至少一个暴露出所述非超导介质膜的开口，所述正常金属电极跨越所述开口。3.根据权利要求2所述的约瑟夫森结器件，其中，所述绝缘层的材料为过曝光的PMMA胶。4.根据权利要求1或2所述的约瑟夫森结器件，其中，所述正常金属电极的材料为钯或金。5.根据权利要求1或2所述的约瑟夫森结器件，其中，所述正常金属电极为圆柱形。6.根据权利要求1或2所述的约瑟夫森结器件，其中，所述正常金属电极为两个或三个。7.根据权利要求5所述的约瑟...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞远，王骏华，杨光，吕昭征，吕力，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11