現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，離不開新材料和新器件的發(fā)現(xiàn)。超導(dǎo)電子器件利用極端的手段獲得極端的性能，極大地推動了天文觀測、量子信息、生物檢測和軍事國防等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。近日，吳培亨院士團隊張蠟寶教授課題組提出了一種制備過渡金屬硫?qū)僮寤衔?TMDs)納米線的普適策略，通過拓撲化學(xué)轉(zhuǎn)化原理成功制備出高質(zhì)量超導(dǎo)納米線，其超導(dǎo)電流和回滯電流的比值超過20。這項工作為研制新型超導(dǎo)納米線單光子探測器和相關(guān)超導(dǎo)器件提供了新選擇。
超導(dǎo)納米線是超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)等超導(dǎo)電子器件的核心結(jié)構(gòu)。在SNSPD中，超導(dǎo)納米線有類似于“光敏電阻”的效果，對入射光子非常敏感，單個光子即可改變納米線局部區(qū)域的電阻值。與此同時，由于超導(dǎo)納米線具有較大的動態(tài)電感，阻止了納米線上偏置電流的快速降低，為光子產(chǎn)生熱點(hotspot)長大提供了條件。因此，超導(dǎo)納米線特有的電學(xué)性能在實現(xiàn)高性能的單光子探測中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通常情況下，SNSPD器件的超導(dǎo)納米線僅幾納米厚和幾十納米寬，對超導(dǎo)薄膜的性能和加工工藝都有極高的要求。目前，SNSPD器件的超導(dǎo)納米線主要有如下兩類：一類是單晶或多晶的超薄超導(dǎo)NbN薄膜等，另一類是非晶超薄超導(dǎo)薄膜，如MoSi，WSi等。
自二十世紀(jì)70年代首次發(fā)現(xiàn)2H-NbSe2發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)性以來，基于TMDSC單層/幾層的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)也催生了奇特的超導(dǎo)現(xiàn)象和新的物理機制。這些新穎的物理現(xiàn)象也衍生出許多超導(dǎo)電子器件，如光電探測器、非互易天線和超電流二極管。納米圖案化制備是TMDSC從基礎(chǔ)研究到實際應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵。然而，由于原子級厚度使得TMDSC薄膜具有較低的穩(wěn)定性，在傳統(tǒng)的“自上而下”的微納工藝方案中，電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕等工藝不可避免會破壞TMDSC薄膜性能，這已經(jīng)成為制約發(fā)展TMDSC器件的瓶頸。因此，開發(fā)無損制備TMDSC超導(dǎo)納米線是研制TMDSC超導(dǎo)電子器件的關(guān)鍵步驟和難題。
針對以上難題，張蠟寶教授課題組基于拓撲化學(xué)轉(zhuǎn)化原理，開發(fā)了一種無損制備TMDSC納米電路的普適策略。以NbSe2為例，首先利用磁控濺射預(yù)先在基底上沉積金屬Nb膜，對其進行納米線圖案化處理后，置于高溫反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NbSe2納米線。相比于傳統(tǒng)的“自上而下”的微納加工工藝方案而言，該方案避免了微納加工工藝對NbSe2所產(chǎn)生的損傷，使得最終制備的超導(dǎo)NbSe2納米線具有更加完善的晶格結(jié)構(gòu)和更加優(yōu)異的電學(xué)性能。
相關(guān)成果發(fā)表于2023年7月18日上線的Nature Communications上(https://doi.org/10.1038/s41467-023-39997-y)。南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所汪瀟涵博士生、王昊副研究員及馬良博士生為本文共同第一作者，王昊副研究員、張蠟寶教授和吳培亨院士為本文共同通訊作者。超導(dǎo)電子學(xué)研究所陳健教授、康琳教授、賈小氫教授、趙清源教授、涂學(xué)湊高工、王華兵教授和金飚兵教授，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院張利劍教授和清華大學(xué)物理學(xué)院陳曦教授對本工作進行了深入指導(dǎo)。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃、江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科計劃和江蘇省電磁波先進調(diào)控技術(shù)重點實驗室等資助。
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