基于共溅射沉积的超导转变边沿可控薄膜制备技术研究

In order to cope with the major changes in the international system of units, to meet the new trend of benchmark flattening and quantization. The research based on the co-sputtering process of the superconducting transition edge tunable film, the single photon detector films are required in order to achieve the quantification of the light intensity unit candela. The superconducting transition temperature of the films is an important parameter affecting the photon state resolution and recovery time of the superconducting transition edge sensors. Double-layer metal films are susceptible to leakage currents due to boundary effects that affect overall device performance. Therefore, this project proposes to deposit a bimetallic superconducting film by co-sputtering method to improve leakage current and improve overall uniformity. The research contents of this project include: 1) Ti, Al single metal superconducting transition edge sensor thin film deposition technology; 2) Ti/Al bimetal superconducting transition edge sensor thin film deposition technology; 3) Thermal capacity, thermal conductivity tunable Ti/Al bimetallic superconducting film by glancing angle deposition technology; 4) Performance evaluation method and technology for superconducting transition edge sensor film satisfying metrology requirements. For the development of candela quantization, it is important to establish a photon number resolving detection system for photon benchmark.

为应对国际单位制重大变革，满足基准扁平化和量子化新趋势。研究基于共溅射沉积的超导转变边沿可控薄膜制备技术，制备光强单位坎德拉量子化所需的单光子探测器薄膜。薄膜的超导转变温度为影响超导转变边沿传感器光子态分辨率以及恢复时间的重要参数。双层金属薄膜易因为边界效应产生漏电流影响整体器件性能。因此本项目提出采用共溅射方法沉积双金属超导薄膜，改善漏电流，提升整体均匀性。本项目研究内容包括：1) Ti、Al单金属超导转变边沿传感器薄膜沉积技术；2) Ti/Al双金属超导转变边沿传感器薄膜薄膜沉积技术；3) 热容、热导率可调的Ti/Al双金属超导薄膜掠射角沉积技术；4) 满足计量基准需求超导转变边沿传感器薄膜性能评价方法和技术。为坎德拉量子化发展，建立具有光子态识别能力的光子基准具有重要意义。

超导Ti/Au双层薄膜的临界温度（Tc）对于超导转变边沿传感器的性能至关重要。完成制备超导转变温度范围51 mK到1.35 K的超导薄膜。我们首先制备了高性能Ti超导薄膜，此Ti薄膜的Tc为500 mK,此样品的溅射功率为400 W，工作气压为0.2 Pa，及Tc为1.35K的Al超导薄膜。在此基础上，制备Ti/PdAu及Ti/Au双金属超导薄膜，其系列薄膜的温度可调范围分别为175 mK-335 mK，191 mK-336 mK。研究热处理对于双金属超导薄膜超导转变温度的调制效果，并通过Usadel机理进行研究其变化机制，通过热处理，可将选定超导薄膜的Tc从243 mK降至116 mK，热处理过程中的原子扩散可以有效压制超导薄膜的Tc。在Usadel机理研究的情况下，开展人工构建的共溅射层为Ti/Au双层薄膜扩散及相关超导转变温度降低机制提供理论和模型支撑。我们使用共溅射技术在超导Ti膜和正常态Au双层之间插入Ti-Au共溅射层。利用插层结构，我们研究由Ti/Au双层之间的扩散机制引起的Tc变化现象。测量了一系列具有不同厚度和Ti-Au成分比的Ti / Au薄膜的Tc变化。Tc的变化趋势与混合层中Au的扩散深度和浓度有关。该人工扩散区的特点通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能量色散X射线光谱（EDS）进行微观表征。Ti-Au共溅射层作用于Ti/Au超导薄膜的界面。Ti-Au共溅射层可视为Ti和Au原子通过Ti-Au界面形成的扩散区。层间厚度被视为Ti和Au原子的扩散深度。Ti/Ti-Au/Au薄膜的Tc与Ti-Au中间膜进行系统性的研究。建立了Ti-Au扩散和等效厚度模型，将自然扩散与人工共溅射结构联系起来。在Usadel理论的框架中，表示邻近效应程度的界面透明度参数t受扩散层厚度和扩散层中Au-Ti比例表现出较大的变化。该Ti-Au中间共溅射层展示了一种有前景的Ti-Au TES的Tc调制方法。为计量基准用超导转变边沿传感器提供关键薄膜，成功研制基于共溅射原理的Ti/Au超导薄膜，该系列薄膜的超导转变温度从51 mK到311 mK可调。

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