|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Разработка электрохимических методов получения гибридных структур на основе нанонитей для сверхпроводящей наноэлектроникиНИР
Development of electrochemical approaches for the production of nanowire-based hybrid structures for superconducting nanoelectronics
- Руководитель НИР: Колесник И.В.
- Участники НИР: Ноян А.А., Сотничук С.В.
- Подразделение: Факультет наук о материалах
- Срок исполнения: 13 января 2022 г. - 31 декабря 2023 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 22-23-00984
- Номер ЦИТИС: 122020100236-9
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Развитие новых поколений наноматериалов и нанотехнологий
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.15.33 Электрохимия
-
Ключевые слова:
сегментированные нанонити, транспортные свойства, нанокомпозит, сверхпроводящая наноэлектроника, джозефсоновские переходы, анодный оксид алюминия, электрохимия, темплатное электроосаждение, эффект близости, массивы нанонитей
proximity effect, segmented nanowires, anodic aluminium oxide, superconducting nanoelectronics, nanocomposite, electrochemistry, transport properties, arrays of nanowires, josephson junctions, templated electrodeposition -
Описание:
Современные области нано- и микроэлектроники постоянно требуют поиска новых технологических решений, позволяющих уменьшить размер электронных схем и логических элементов. Одним из направлений развития наноэлектроники является создание сверхпроводящих гибридных структур, в основе которых лежат свойства слабых связей (джозефсоновских переходов). Среди создаваемых структур особенно стоит выделить переходы сверхпроводник–нормальный металл–сверхпроводник (SNS-переход) и сверхпроводник–ферромагнетик–сверхпроводник (SFS-переход), которые уже успешно зарекомендовали себя для применения в квантовых логических устройствах. Однако современные методы формирования джозефсоновских переходов, такие как электронно-лучевая литография и вакуумное напыление, позволяют достичь требуемых размеров отдельных слоёв в направлении, перпендикулярном подложке, но не пригодны для получения структур с необходимым разрешением в латеральных направлениях. Настоящий проект посвящен разработке альтернативного подхода для создания элементов сверхпроводящей микроэлектроники с использованием металлических одномерных наноструктур (нанонитей). Такая геометрия является новой и, в сравнении с традиционными технологиями напыления, позволяет существенно минимизировать латеральные размеры SNS- и SFS-переходов, а также увеличить характеристические параметры будущих устройств с высокой плотностью упаковки элементов. Значительный интерес представляют как монометаллические нанонити на основе металлов, обладающих сверхпроводящими свойствами при низких температурах (например, In и Pb), так и сегментированные нанонити, в которых между двумя сегментами из сверхпроводящих металлов (S) помещается тонкий слой нормального металла (N) или ферромагнетика (F). Такие объекты являются основой для формирования SNS- и SFS-переходов, соответственно. Предполагается, что при низких температурах за счёт наведенной сверхпроводимости в нормальном или ферромагнитном металле от сверхпроводящих соседних сегментов станет возможным проявление эффекта близости и, как следствие, наблюдение критического тока и различных магнитных эффектов, связанных со взаимным влиянием сверхпроводимости и магнетизма. Для формирования монометаллических и сегментированных нанонитей предлагается использовать метод темплатного электроосаждения в пористые матрицы анодного оксида алюминия или трековые мембраны. Этот метод позволяет получать однородные по размеру наноструктуры с необходимыми геометрическими параметрами и химическим составом. В связи с высокой плотностью расположения пор в анодном оксиде алюминия (до 10^11 штук/см2) и трековых мембранах (до 10^8 штук/см2), выступающих в качестве темплата, одним из преимуществ предлагаемого подхода является одновременное формирование огромного количества идентичных нанонитей. Подобные массивы нитевидных наноструктур являются удобными объектами для исследования транспортных и магнитных свойств. Новизна проекта заключается в измерении электрофизических характеристик непосредственно массивов сверхпроводящих нанонитей (без их извлечения из темплатов) при различных температурах и направлениях внешнего магнитного поля. Это позволит увеличить аналитический сигнал измеряемого объекта и при этом будет способствовать сохранению стабильности изучаемых наноструктур, в отличие от исследования единичных нанонитей, извлечённых из матрицы, которые легко подвергаются окислению или агрегации. Программа исследований включает в себя несколько разделов: 1) темплатное электроосаждение нанонитей из сверхпроводящих (In, Pb) и нормальных (Au) металлов с контролируемым диаметром (от 30 до 150 нм) и преимущественно монокристаллической или крупнокристаллической структурой; 2) экспериментальное изучение электронного транспорта и магнитных свойств массивов нанонитей в матрице в широком диапазоне температур и магнитных полей; определение критических токов, температур и магнитных полей для нанонитей различного размера, состава и морфологии; 3) разработка методики формирования сегментированных нанонитей, содержащих прослойку нормального или ферромагнитного металла (например, In/Au/Ni, Pb/Au/Pb, In/Ni/In, Pb/Ni/Pb и др.). Данная задача является наиболее амбициозной, так как необходимо обеспечить формирование монокристаллической прослойки с не окисленными границами и прецизионно контролируемой толщиной на атомарном уровне; 4) измерение транспортных и магнитных свойств сегментированных нанонитей в зависимости от толщины прослойки нормального или ферромагнитного металла. Предлагаемые исследования представляют огромный интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Они позволят получить информацию об особенностях электронного транспорта и магнитного поведения массивов нитевидных сверхпроводящих наноструктур, необходимую для изучения более сложных объектов на их основе. Гибридные устройства на основе сверхпроводящих сегментированных нанонитей с ферромагнитной прослойкой перспективны для создания субмикронных джозефсоновских инверторов сверхпроводящей фазы и спиновых вентилей. Дальнейшая интеграция таких устройств в элементы наноэлектроники может лечь в основу новых исследований сверхпроводниковых вычислительных квантовых схем.
-
Abstract:
The modern fields of nano- and microelectronics constantly require the search for new technological solutions to reduce the size of electronic circuits and logic elements. One of the ways to develop this area is to fabricate superconducting hybrid structures based on the properties of weak links (Josephson junctions). Among the structures created, special attention is paid to superconductor–normal metal– superconductor (SNS) and superconductor–ferromagnet–superconductor (SFS) junctions, which have already been implemented in quantum logic devices. However, there are several difficulties in obtaining such objects. Modern fabrication technologies, such as electron-beam lithography and vacuum deposition, make it possible to achieve the required dimensions of individual layers in the direction perpendicular to the substrate, but not in the lateral directions. This project is devoted to the development of an alternative approach for creating elements of superconducting microelectronics with the use of metallic one-dimensional nanostructures (nanowires). In comparison with traditional deposition technologies, this new geometry allows one to minimize the lateral dimensions of SNS and SFS junctions as well as to increase the characteristic parameters of future devices with a high packing density of elements. Considerable importance is paid to both monometallic nanowires based on metals with superconducting properties at low temperatures (for example, In and Pb) and segmented nanowires, in which a thin layer of normal metal (N) or ferromagnet (F) is placed between two segments of superconducting metals (S). Such objects are the basis for the construction of SNS and SFS junctions, respectively. It is assumed that at low temperatures, due to the induced superconductivity in a normal or ferromagnetic metal from superconducting neighboring segments, it will become possible to detect the proximity effect and, consequently, to observe the critical current and various magnetic effects associated with the correlation of superconductivity and magnetism. The fabrication of monometallic and segmented nanowires will be carried out via the method of templated electrodeposition into porous matrices of anodic alumina or track-etched membranes. This technique allows obtaining nanostructures of uniform size with the required geometric parameters and chemical composition. Due to the high density of pores in anodic aluminum oxide (up to 10^11 pores/cm2) and track-etched membranes (up to 10^8 pores/cm2), it is possible to fabricate a huge number of identical nanowires simultaneously. Such arrays of one-dimensional nanostructures are convenient objects for studying transport and magnetic properties. The novelty of the project involves the measuring of electrophysical characteristics of superconducting nanowires arrays in a direct way (i.e. without removing them from the templates) at different temperatures and directions of the external magnetic field. This will increase the analytical signal of the measured objects and, at the same time, will provide the stability of the nanostructures, in contrast to single nanowires, which easily suffer from oxidation or aggregation. The program of this project includes several tasks: 1) templated electrodeposition of nanowires from superconducting (In, Pb) and normal (Au) metals with a controlled diameter (in the range of 30–150 nm) and predominantly single-crystal or coarse-crystalline structure; 2) experimental study of electron transport and magnetic properties of nanowire arrays in a matrix in a wide range of temperatures and magnetic fields; determination of critical currents, temperatures and magnetic fields for nanowires of different size, composition and morphology; 3) development of a technique for the fabrication of segmented nanowires containing an interlayer of normal or ferromagnetic metal (for example, In/Au/Ni, Pb/Au/Pb, In/Ni/In, Pb/Ni/Pb, etc.). This task is the most ambitious, since it is necessary to ensure the formation of a single-crystal interlayer with non-oxidized boundaries and a precisely controlled thickness at the atomic level; 4) measurement of transport and magnetic properties of segmented nanowires depending on the thickness of the interlayer of normal or ferromagnetic metal. The proposed studies are of great interest from both fundamental and practical points of view. They will provide information concerning the special features of electron transport and magnetic behavior of superconducting nanowire arrays, which is necessary for studying complex objects with implemented nanostructures. Hybrid devices based on superconducting segmented nanowires with a ferromagnetic interlayer are promising candidates for the creation of submicron Josephson phase inverters and spin valves. Further integration of such devices into nanoelectronic elements may form the basis for the development of superconducting computational quantum circuits.
-
Планируемые результаты:
Ожидаемые результаты реализации проекта: 1). Определение закономерностей роста монометаллических нанонитей на основе сверхпроводящих и нормальных металлов в ходе темплатного электроосаждения. Перечень оптимальных условий проведения процесса, приводящих к формированию преимущественно моно- или крупнокристаллических нанонитей с выраженной текстурой, определяемой прикладываемым потенциалом осаждения. 2). Методика темплатного электроосаждения сегментированных нанонитей на основе сверхпроводящих металлов (S) с тонкой прослойкой нормального (N) или ферромагнитного (F) металла с использованием роботизированной установки. Получение фундаментальных данных об особенностях послойного роста металлических сегментов, характере границы раздела между ними, морфологии и структуре формируемых нанокомпозитов в зависимости от толщин отдельных сегментов. 3). Методика подготовки нанокомпозитов анодный оксид алюминия/металлические нанонити для проведения магнитных измерений, позволяющая исключить наличие объемной фазы металла на поверхности темплата, а также незаполленных металлом пор. 4). Методика изготовления контактов к массивам нанонитей для проведения измерений транспортных свойств непосредственно в самой матрице без извлечения нанонитей после темплатного электроосаждения. 5). Измерение электрофизических характеристик массивов нанонитей с SNS-, SFS- и SNFNS-структурой в широком интервале температур и магнитных полей. Получение данных о зависимости критических токов от длины прослойки нормального или ферромагнитного металла в случае сегментированных нанонитей. Построение теоретической модели о проникновения магнитного поля в сверхпроводящие нанонити разных диаметров на основе экспериментальных данных. Будут выявлены особенности электронного транспорта и магнитного поведения нанокомпозитов на основе монометаллических и сегментированных нанонитей в зависимости от состава, морфологии, длины и диаметра формирующих их сегментов. Реализация проекта будет способствовать переходу от планарных технологий создания гибридных сверхпроводящих элементов к использованию нанонитей, формируемых при помощи темплатного электроосаждения. Этот переход позволит получать устройства меньших размеров и расширит возможности контроля их свойств. Исследование эффектов сверхпроводимости, электронного транспорта и особенностей проникновения магнитного поля в массивы нанонитей имеет фундаментальное значение для дальнейшего изучения гибридных сверхпроводящих структур на их основе. Социально-экономический эффект от предлагаемого проекта заключается в появлении новых элементов сверхпроводящей наноэлектроники, отличающихся от известных аналогов. Данный проект будет способствовать развитию новых направлений в нанотехнологиях и электрохимическом материаловедении. Важной стратегической задачей проекта является подготовка молодых исследователей к решению сложных проблем на передовом крае науки в области электрохимического материаловедения. Для решения данной задачи к выполнению проекта будут привлечены талантливые аспиранты. Их вовлечение в активный творческий процесс исследования высокотехнологичных материалов будет способствовать стимулированию научного интереса и, как следствие, закреплению молодых ученых в научно-образовательной сфере.
-
Научный задел:
Команда исполнителей проекта представлена молодыми исследователями, являющимися сотрудниками факультета наук о материалах и химического факультета МГУ, которые выполняют свою работу в лабораториях на химическом факультете. Отработаны методики контролируемого электрохимического синтеза монометаллических нанонитей на основе Cu и Fe, а также сегментированных нанонитей на основе Cu/Ni. В научных работах, опубликованных исполнителями в ведущих зарубежных и российских журналах, описаны особенности магнитных свойств массивов нанонитей в зависимости от их геометрических характеристик (длина, диаметр). Опыт исследования объектов с необычной магнитной структурой будет крайне полезен для успешного выполнения магнитных измерений, представленных в задачах проекта. Также авторами заявки была разработана теоретическая модель роста металлических нанонитей в каналах АОА, которая впервые позволила объяснить часто наблюдаемое в эксперименте бимодальное распределение наноструктур по длине. Отметим, что при тщательном подборе условий электроосаждения удаётся сформировать массив нанонитей с узкими распределениями по длине и диаметру, а в случае сегментированных нанонитей – контролировать толщину сегментов с высокой точностью (вплоть до 3-4 нм). Это открывает большие возможности для исследования сверхпроводящих гибридных наноструктур на основе как монометаллических, так и сегментированных нанонитей. В лаборатории участников проекта имеется всё необходимое оборудование, включая установки для получения пористых матриц анодного оксида алюминия, прецизионные источники постоянного тока, потенциостаты, синтетическое лабораторное оборудование, аналитическое оборудование для всестороннего исследования получаемых объектов. Подводя итог, можно сказать, что коллектив исполнителей имеет необходимый опыт и профессиональные навыки для успешной реализации задач проекта.
- Добавил в систему: Колесник Ирина Валерьевна
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 13 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Разработка электрохимических методов получения гибридных структур на основе нанонитей для сверхпроводящей наноэлектроники |
| Результаты этапа: В конце первого года выполнения проекта планируется получить следующие результаты: 1. Оптимальные методики формирования нитевидных монометаллических (In, Pb, Au) и сегментированных наноструктур с прослойкой золота (In/Au/In и Pb/Au/Pb) в пористых матрицах АОА и трековых мембранах с заданными геометрическими характеристиками. Установление зависимости текстуры нанонитей от прикладываемого потенциала осаждения. 2. Экспериментально выявленные взаимосвязи условия получения-структура-свойства для массивов сверхпроводящих нанонитей. 3. Определение поведения массивов нанонитей In и Pb в магнитном поле при различных температурах. Наблюдение перехода нанонитей в сверхпроводящее состояние ниже критической температуры. Экспериментальные значения критических полей и критических температур для массивов In и Pb нанонитей. | ||
| 2 | 10 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Разработка электрохимических методов получения гибридных структур на основе нанонитей для сверхпроводящей |
| Результаты этапа: 1. Используя различные режимы анодирования алюминия (0,3 М H2SO4 при 25 В, 0,3 М H2C2O4 при 40 В, 1 М H3PO3 при 150 В и 0,1 М H3PO4 при 195 В) получены пористые пленки анодного оксида алюминия (АОА) с узким распределением пор по размеру. АОА, полученный в растворах серной и щавелевой кислот обладают высокой упорядоченностью пористой структуры (доля пор в гексагональном окружении превышает 80%). Установлены экспериментальные зависимости диаметра пор от продолжительности травления барьерного слоя анодного оксида алюминия в 3 М растворе фосфорной кислоты. Диаметр пор у полученных плёнок анодного оксида алюминия составляет от 20 до 215 нм, в зависимости от условий анодирования и времени выдержки образцов в кислоте. 2. Метод темплатного электроосаждения с использованием анодного оксида алюминия в качестве пористой матрицы позволил получить массивы однородных по размеру нанонитей. Подобранные условия электроосаждения приводят к формированию нанонитей с ярко выраженной текстурой ([111] для золота, [220] для свинца, [001] для индия), что свидетельствует об их преимущественно монокристаллической структуре. 3. В ходе измерения транспортных свойств джозефсоновских переходов Nb/Au/Nb на основе нанонитей золота установлено, что для нанонитей диаметром 60 нм при уменьшении длины слабой связи от 520 до 280 нм значения критического тока увеличиваются от 3 до 24 мкА (при T = 1,2 К). Структуры на основе 30-нм Au нанонитей демонстрируют джозефсоновское поведение лишь при длинах слабой связи, меньших 300 нм, при этом значения критического тока достигают 14 мкА. В обоих случаях плотности критического тока демонстрируют высокие значения вплоть до 1,6∙106 A/см2. Отсутствие проявления эффекта близости в случае нанонитей малого диаметра для длин слабой связи > 300 нм свидетельствует о важной роли межзёренных границ в электронном транспорте. Экспериментально наблюдаемое монотонное падение критического тока при увеличении температуры и внешнего магнитного поля количественно описывается в рамках подхода Узаделя для длинных SN-N-NS переходов с диффузным нормальным металлом. Предлагаемый метод расширяет перспективы создания сверхпроводящих гибридных систем на основе нанонитей, обладающих долговременной стабильностью для будущих приложений, связанных со сверхпроводящей квантовой электроникой. 4. Изучены особенности электроосаждения свинца из нитратного электролита, содержащего 0,1 M Pb(NO3)2 и 0,7 M H3BO3. Осадки свинца, сформированные на гладких подложках при потенциалах осаждения −0,40 В, −0,45 В и −0,50 В из деаэрированного электролита, демонстрируют рост металла без дополнительных оксидных фаз. Установлено, что для электролита без желатина на рентгенограмме отчётливо проявляется текстура вдоль направления [111]; в случае электролита с добавлением 3 г/л желатина высокой интенсивности рефлекса (111) не наблюдается. Осаждение свинца в темплаты АОА осложняется особенностями роста нитей в ограниченном пространстве: без добавления желатина количество нитей мало, при этом доля заполненных пор не превышает 50%, т.к. метал в единичных порах достигает поверхности и экранирует доступ электроактивных частиц к нанонитям, растущим в других порах. Добавление желатина к нитратному электролиту свинцевания в совокупности с промывкой поверхности темплата от образовавшихся дендритов позволяет улучшить качество формируемых нанокомпозитов, а именно, увеличить долю заполненных пор до значений выше 80% и среднюю длину нанонитей до ~ 15 мкм. Нанонити свинца растут преимущественно вдоль направления [220], оксидных фаз не образуется. 5. Были получены количественные значения критических токов в зависимости от температуры для массивов монометаллических Pb нанонитей. Температурные зависимости намагниченности массивов нанонитей свинца в темплате АОА подтверждают переход полученной фазы свинца в сверхпроводящее состояние при температуре около 7,2 К, что хорошо согласуется с критической температурой объемного материала. Полевые зависимости магнитного момента от внешнего магнитного поля для нанокомпозитов Pb/АОА демонстрируют поведение, характерное для сверхпроводников II рода. При температуре 2 K промежуточное состояние начинается с полей Hc1 ∼ 2200 Э, а полное разрушение сверхпроводимости происходит выше Hc2 ∼ 4700 Э. 6. Отработана методика получения In нанонитей из сульфаматного электролита методом темплатного электроосаждения в матрицы АОА. Показано, что добавление хлорида натрия в концентрации 1 моль/л увеличивает стабильность сульфаматного электролита индирования. При увеличении перенапряжения от 50 до 200 мВ выход по току уменьшается с 98% до 93%. Согласно кулонометрическому анализу, степень заполнения темплата АОА металлом увеличивается при уменьшении перенапряжения и достигает 48% при потенциале осаждения −50мВ относительно In электрода сравнения. Предложенная методика позволяет формировать сильно текстурированные In нанонити из стабильного электролита и достигать высокой степени заполнения темплата. 7. Разработанный нами метод присоединения контактов позволил разработать и успешно применить метод определения электрического сопротивления единичных In нанонитей, основанный на измерении вольт-амперных характеристик массивов нанонитей при высоких приложенных напряжениях. Впервые измерены значения сопротивлений единичных In нанонитей: 3100 Ом для нанонитей диаметром 45 нм и 155 Ом для нанонитей диаметром 200 нм. Экспериментальное значение сопротивления для нанонити диаметром 200 нм превышает рассчитанное по формуле для объемного проводника на 9%, а для нанонитей диаметром 45 нм – на 33%. Кроме того, нами была продемонстрирована возможность создания элемента с диодоподобной вольтамперной характеристикой, основанного на пробое в тонком зазоре, возникающем в массиве In нанонитей. 8. Проведены магнитные измерения массивов параллельных сверхпроводящих In нанонитей с диаметрами 45 нм, 200 нм и 550 нм (того же порядка величины, что и длина когерентности ξ). Значения магнитного момента М образцов измерили как функцию магнитного поля Н и температуры Т в аксиальных и поперечных полях. Кривые M(H) для массивов нанонитей In с диаметрами 45 нм и 200 нм являются обратимыми, тогда как кривые намагниченности для массива нанонитей диаметром 550 нм имеют несколько особых точек и ветви в увеличивающемся и уменьшающемся полях значительно отличаются. Критические поля увеличиваются с уменьшением диаметра наноструктур, и для нанонитей диаметром 45 нм превышают критические поля для объемного In в 20 раз. Качественное изменение кривой намагниченности указывает на то, что конфигурации магнитного поля различны в нанонитях с разными диаметрами. Кроме того, проведены измерения наклона M(H) в малых полях, теплоемкости и глубины проникновения магнитного поля с температурой. Показано, что сверхпроводимость в нанонитях наблюдается при температуре выше критической температуры объёмного In. 9. Продемонстрирован синтез пленок в системе Pb-Bi из трилонатного электролита при постоянном потенциале осаждения –1,0 В. Подобранные условия электроосаждения, приводящие к формированию ε-фазы Pb7Bi3, являются важным результатом на пути к изучению ее электрофизических свойств и получению сверхпроводящих материалов на ее основе. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".