Investigation of the sputtering conditions of niobium and magnetite thin films for realizing ferromagnetic Josephson junctions
Ferromanyetik Josephson eklemlerinin oluşturulması için niyobyum ve magnetit ince filmlerin püskürtme koşullarının incelenmesi
Yazar: TUNA ALP
Danışman: YRD. DOÇ. DR. YILMAZ ŞİMŞEK
Sabancı Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Ferromanyetik Josephson eklemleri süperiletken elektronik ve kriyojenik bellek cihazları için büyük ilgi görmüştür, çünkü sandviç heteroyapıları Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov eşleşmesi, Andreev bağıl durumları, faz kayması nedeniyle anormal akım-faz davranışı, ferromanyetik tünelleme alanları ve karşılıklı yakınlık etkileri nedeniyle spin üçlü süper akım vanası gibi zengin fizik kavramlarını içeren süperiletkenlik ve manyetizmanın bir arada var olduğu yapılardır. Bu çok yönlü eklemler, faz kübitleri, spin valf tabanlı bellek devreleri ve programlanabilir mantık devreleri için faz kaydırıcılar gibi yeni kriyojenik kuantum cihazlarının geliştirilmesinde yeni yaklaşımlar sunmaktadır. Bu çalışmada, niyobyum katmanlarında yüksek süper iletkenlik özellikleri ve demir oksit katmanlarında ferromanyetik yalıtkanlık özellikleri elde etmek için optimize edilmiş bir püskürtme sistemi sistematik olarak incelenmiş ve sonuçta yeni tip π-eklemler oluşturulmuştur. Bu amaçla, periklaz ve safir alt tabakalar üzerinde bir dizi
vii
niyobyum ve demir oksit ince film, sırasıyla niyobyum ve manyetit hedeflerden çeşitli magnetron püskürtme koşulları altında büyütülmüştür. Yapısal elektriksel ve manyetik özellikleri X-ışını kırınımı, Raman spektroskopisi, titreşimli numune manyetometrisi, manyetik kuvvet mikroskobu ve elektriksel taşınım ölçümleri ile analiz edilmiştir. Eş düzlemli Nb/Fe3O4/Nb eklemlerinin her bir katmanını oluşturmak için en iyi büyüme koşulu kullanılmıştır. Eş düzlemli eklemleri oluşturmak için termal ve e-ışın buharlaştırma, elektron demeti litografisi ve reaktif olmayan iyon aşındırma yoluyla film püskürtmeye ek olarak kullanılmıştır. Farklı yerinde büyütme sıcaklıklarının yüzey morfolojisi, kristal yapı, elektriksel ve manyetik tepkiler üzerindeki etkileri demir oksit ince filmler için incelenmiştir. Kristal kalitesi ve boyutunun niyobyum ince filmlerin süper iletkenlik geçişi üzerindeki etkileri tartışılmıştır. Eş düzlemli Josephson bağlantılarının elektriksel karakterizasyonu için, oda sıcaklığından 2 K'e kadar kriyojenik bir sistemde çeşitli manyetik alanlar altında 4 noktalı taşınım ölçümleri gerçekleştirilmiştir. π-eklemlerinin önkoşul durumları Fraunhofer desenlerinde incelenmiş ve Ic ve IcRN çarpımının sıcaklığa bağımlılığı tartışılmıştır. Büyüme ve fabrikasyon koşullarının bu özellikler üzerindeki etkileri, kriyojenik bellek ve faz kübitlerinin uygulamaları için ideal ferromanyetik yalıtkan tabanlı Josephson eklem katmanlarını gerçekleştirmek amacıyla bu malzeme seçimi için tartışılmıştır.

Abstract:
Ferromagnetic Josephson junctions have attracted a great deal of interest for superconducting electronics and cryogenic memory devices since their sandwiched heterostructures exhibit the coexistence of superconductivity and magnetism, which comprises rich physics concepts such as Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov pairing, Andreev bound states, anomalous current-phase behavior due to phase shifting, spin triplet supercurrent valving due to ferromagnetic tunneling domains and mutual proximity effects. These versatile junctions offer new approaches in developing new cryogenic quantum devices such as phase qubits, spin valve-based memory circuits and phase shifters for programmable logic circuits. In this work, an optimized sputtering system have been systematically studied to achieve high superconducting characteristics in niobium layers and ferromagnetic-insulator characteristics in iron oxide layers for ultimately realizing new-type π-junctions. For this purpose, a series of niobium and iron oxide thin films on periclase and sapphire substrates have been grown under various magnetron sputtering conditions from niobium and magnetite targets respectively. Their
v
structural electrical and magnetic characteristics have been analyzed by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, vibrating sample magnetometry, magnetic force microscopy, and electrical transport measurements. The best growth condition was employed to deposit each layer of coplanar Nb/Fe3O4/Nb junctions. In addition to the film deposition by sputtering, thermal and e-beam evaporation, electron beam lithography and non-reactive ion etching was employed to form the coplanar junction arrays. The resulting effects of different in-situ growing temperatures on surface morphology, crystal structure, electrical and magnetic responses were investigated for iron oxide thin films. The effects of crystalline quality and size on the superconductive transition of niobium thin films are discussed. For electrical characterization of the coplanar Josephson junctions, 4-point transport measurements are carried out under various magnetic fields in a cryogenic system from room temperature down to 2 K. The prerequisite signatures of π-junctions were investigated in their Fraunhofer patterns, and temperature dependence of Ic and IcRN products. The effects of the growth and fabrication conditions on these properties are discussed in order to realize ideal ferromagnetic-insulator based Josephson junction layers for applications of cryogenic memory and phase qubits.