利用Al/α-Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法技术

本发明专利技术属于超导集成电路技术领域，涉及利用Al/α

【技术实现步骤摘要】
利用Al/
α
‑
Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法


[0001]本专利技术属于超导集成电路
，特别涉及一种利用Al/α
‑
Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法。

技术介绍

[0002]约瑟夫森结是构建基于超导电路的量子计算机的关键部件，通常使用Al/Al2O3/Al“三明治”结构的氧化铝隧道结作为约瑟夫森结来引入所需的非线性。其中氧化层部分必须具备超薄的结构以促进超导体之间的有效量子传输。众所周知，铝和氧化铝界面附近的原子结构在决定氧化铝隧道结的电子输运特性方面起着至关重要的作用。然而，由于界面结构和界面位置的复杂性和特殊性，很难实现对器件原子结构的直接实验研究，以获得界面微观结构与结性能之间的关系。近年来，非平衡格林函数(NEGF)方法已被广泛应用于研究各种纳米器件的电子性质。然而，目前还没有从原子尺度出发对三维Al/Al2O3/Al器件进行过关于Al/Al2O3界面堆叠顺序对电子隧穿影响的单一理论研究。理解铝/氧化铝界面的几何结构和体系在原子层面的输运特性之间的关系对实现更好地控制和改善约瑟夫森结器件的性能大有裨益。因此，对Al/Al2O3界面进行细致的原子结构分析至关重要。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出了一种利用Al/Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法。本专利技术通过创建原子结构的三维Al/Al2O3/Al器件模型，并采用量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法计算不同模型的输运特性，探究在氧化铝界面终端方式不同的情况下三种Al/Al2O3堆叠顺序对氧化铝约瑟夫森结输运性质的影响。为现有约瑟夫森结制备工艺的改进提供方向，从而提升约瑟夫森结及超导集成电路的性能。
[0004]本专利技术采用以下技术方案：
[0005]利用Al/α
‑
Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：搭建合理的三维Al/α
‑
Al2O3/Al约瑟夫森结器件模型。如：搭建不同氧化层界面终端方式以及不同Al/Al2O3界面堆叠顺序的约瑟夫森结器件模型。具体步骤如下：
[0007](1)选择搭建晶体模型的原胞，并选择不同的氧化铝的界面终端方式，得到晶胞。
[0008]具体选择界面匹配较为稳定的原胞Al(111)和Al2O3(0001)搭建Al/α
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Al2O3/Al晶体模型。采用铝的晶格常数为，氧化铝的晶格常数为以使二者相匹配具有较低的失配率。
[0009]对原胞进行切面、切片等操作得到铝和氧化铝的晶胞结构，并确保氧化铝两端具有氧终端、铝终端和双铝终端三种不同的界面终端方式。
[0010](2)对晶胞进行优化。
[0011]采用基于密度泛函理论(DFT)的投影缀加平面波方法(PAW)的DS
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PAW软件包来分别对铝和氧化铝晶胞进行优化。
[0012](3)选择不同的界面堆叠顺序，搭建具有不同Al/Al2O3界面堆叠顺序的晶体模型，获得最佳界面接触距离。
[0013]用优化之后得到的晶胞，在每种氧化铝界面终端方式的基础上使Al/Al2O3界面匹配时具有面心立方(fcc)、六方密堆积(hcp)和八面体堆积(ot)三种不同的界面堆叠顺序，最终得到九种不同的结构。取不同铝和氧化铝的界面接触距离搭建Al/Al2O3/Al晶体模型，搭建时保证左、右两侧的铝和氧化铝之间具有相同的接触距离。计算每种晶体模型的单点能，能量最低时所对应的界面接触距离即为最佳距离。
[0014](4)对具有最佳界面距离的晶体模型进行界面结构优化，使原子处于受力较为平衡的状态以获得稳定的结构。
[0015](5)将优化后的晶体模型转换为Al(111)/α
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Al2O3(0001)/Al(111)约瑟夫森结器件模型。
[0016]步骤2：基于量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法来计算规则的三维器件模型的电输运性质的相关参数，包括平衡态下的电导、非平衡态下的I
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V曲线以及辅助分析的透射谱等等。
[0017]步骤3：通过对得到的平衡态电导、透射谱、非平衡态I
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V曲线等数据结果进行分析，明确Al/Al2O3界面堆叠顺序对氧化铝约瑟夫森结性能影响。
[0018]步骤4：根据步骤3的分析结果，对氧化铝约瑟夫森结电输运性质进行调控。
[0019]本专利技术的有益效果为：本专利技术研究了Al/Al2O3/Al器件在平衡态下的电导、非平衡态下的电流
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电压曲线等电子输运特性，探讨了在氧化铝两端分别为氧、铝、双铝终端方式的情况下，对应fcc、hcp和ot堆叠方式对体系输运性能的影响。结果表明，在Al/Al2O3/Al体系中Al2O3的界面终端方式相同的情况下，铝和氧化铝堆叠顺序的变化对体系的电子输运性能有很大影响。
[0020]在不同氧化铝终端方式下，堆叠顺序的变化对体系平衡态电导的响应不同，氧终端方式对Al/Al2O3堆叠顺序的变化表现得最不敏感，体系的性能较为稳定，并且无论Al/Al2O3为何种堆叠方式，其导电性均遵循双铝终端>铝终端>氧终端。
[0021]在非平衡态下，体系在小偏压下电流呈线性增长的趋势，而在大偏压范围内呈指数上升的趋势。此外，在氧化铝为氧终端的条件下，电流的相对变化情况随着施加偏压的增大表现的较为稳定，而双铝终端的体系变化较大。总之，通过结合第一性原理密度泛函理论和非平衡格林函数理论，可以进一步理解铝和氧化铝堆叠方式对Al/Al2O3/Al体系中电子输运性质更细节的影响。
附图说明
[0022]图1为三维Al(111)/α
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Al2O3(0001)/Al(111)器件模型结构图。Al2O3有三种终端方式，分别为(a)氧终端、(b)铝终端、(c)双铝终端，均为未经过Al/Al2O3界面处原子结构优化的晶体模型对应的左视图。(d～f)分别表示氧化铝为氧终端、铝终端、双铝终端结构经过Al/Al2O3界面处原子结构优化的器件模型的主视图。每一种氧化铝终端方式对应三种不同的Al/Al2O3堆叠顺序，图中展示了以铝终端为代表的(g)fcc堆叠、(h)hcp堆叠和(i)ot堆叠。
氧终端和双铝终端器件模型的堆叠顺序与(g～i)中铝终端的堆叠顺序保持一致，模型中红色的球表示氧原子，粉红色的球表示铝原子。
[0023]图2为平衡态下不同氧化层终端方式下三种堆叠顺序的Al/Al2O3/Al器件模型的电导和透射谱。
[0024]图3为非平衡态下不同氧化层终端方式下三种堆叠顺序的Al/Al2O3/Al器件模型的电流
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电压(I
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V)曲线。
[0025]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用Al/α
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Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搭建不同氧化层界面终端方式以及不同Al/Al2O3界面堆叠顺序的约瑟夫森结器件模型；步骤2：基于量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法来计算规则的三维器件模型的电输运性质的相关参数；步骤3：通过对得到的三维器件模型的电输运性质的相关参数进行分析，明确Al/Al2O3界面堆叠顺序对氧化铝约瑟夫森结性能影响；步骤4：根据步骤3的分析结果，对氧化铝约瑟夫森结电输运性质进行调控。2.根据权利要求1所述的利用Al/α
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Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，步骤1的包括如下内容：S1.1：选择搭建晶体模型的原胞，并选择不同的界面终端方式，得到晶胞；S1.2：对晶胞进行优化；S1.3：选择不同的界面堆叠顺序，搭建晶体模型，获得最佳界面接触距离；S1.4：对具有最佳界面距离的晶体模型进行界面结构优化，使原子处于受力较为平衡的状态以获得稳定的结构；S1.5：将优化后的晶体模型转换为Al(111)/α
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Al2O3(0001)/Al(111)约瑟夫森结器件模型。3.根据权利要求2所述的利用Al/α
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Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，S1.1中，具体采用Al(111)和Al2O3(0001)结构搭建Al/α
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Al2O3/Al晶体模型，采用铝的晶格常数为氧化铝的晶格常数为氧化铝的晶格常数为4.根据权利要求2所述的利用Al/α
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Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，S1.1中，所述界面终端方式为：氧化铝两端具有氧终端、铝终端和双铝终端三种不同的界面终端方式。5.根据权利要求2所述的利用Al/α
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Al2O3界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，S1.2中，采用基于密度...

【专利技术属性】
技术研发人员：单征，孙回回，勾雪莲，周蓓，刘福东，张琴，赵博，李颖颖，侯一凡，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：