金属覆盖层对外延NbN薄膜中涡旋临界速度的调控机制及其在超导器件中的应用

本研究针对超导器件中NbN薄膜的涡旋动力学调控难题，通过系统分析Fe0.2 Ni0.8 、Al、Pt等金属覆盖层对Larkin-Ovchinnikov(LO)不稳定性及临界速度vLO 的影响，发现磁性层会显著抑制临界温度Tc ，而非磁性层可提升涡旋速度达20%。该成果为优化SNSPD（超导纳米线单光子探测器）等器件的响应速度提供了重要理论依据。

　　

在超导材料研究领域，铌氮化物(NbN)因其优异的性能成为制造超导纳米线单光子探测器(SNSPD)和约瑟夫森结(Josephson junction)的核心材料。然而，当器件厚度缩减至纳米级时，邻近效应会显著改变其超导特性，尤其是涡旋(vortex)运动的临界速度v_LO
——这一参数直接决定了SNSPD的时序分辨率。目前学术界对v_LO
的测量存在巨大差异，部分研究认为磁性覆盖层可能通过改变电子弛豫时间(τ)来影响涡旋行为，但缺乏系统性验证。

为解决这一科学问题，来自韩国国家研究基金会的研究团队在《Thin Solid Films》发表论文，通过制备5nm/10nm两种厚度的外延NbN薄膜，分别覆盖磁性(Fe_0.2
Ni_0.8
)、非磁性(Al/Pt)金属层及AlN绝缘层，系统研究了覆盖层对T_c
和v_LO
的调控规律。研究发现：磁性覆盖层会使5nm NbN的T_c
完全抑制，而插入1.6nm AlN层可恢复超导性；非磁性层虽轻微降低T_c
，但能使v_LO
在近T_c
区提升20%，这对优化超导器件性能具有重要指导意义。

关键技术方法
研究采用直流反应溅射法在c面Al₂
O₃
基底上外延生长(111)取向NbN薄膜，通过低角度XRD表征晶体结构。利用光刻技术制备微桥结构测量电流-电压(I-V)曲线，结合磁场调控分析LO不稳定性。通过对比有无AlN插层的Fe_0.2
Ni_0.8
样品，区分了邻近效应与磁 stray field 的影响。

结果与讨论

1. 晶体结构分析：XRD证实(111)NbN∥(0001)Al₂
   O₃
   的外延关系，原子力显微镜显示表面粗糙度<0.5nm，有效降低了涡旋钉扎效应。
2. 临界温度变化：纯NbN的T_c
   ≈16K，Fe_0.2
   Ni_0.8
   覆盖使5nm NbN的T_c
   完全消失，10nm样品降至10.1K；而Al/Pt覆盖仅使T_c
   轻微下降2-3K。
3. 涡旋速度调控：低场(0.1T)下v_LO
   ≈6km/s，高场(1T)降至1.8-2.8km/s。非磁性覆盖使近T_c
   区速度提升20%，归因于电子扩散系数改变和声子逃逸贡献。

结论与意义
该研究首次阐明金属覆盖层通过三重机制调控NbN涡旋动力学：①磁性层通过邻近效应强烈抑制超导性；②非磁性层优化热耗散提升v_LO
；③AlN插层可隔离电子相互作用。相比传统无序薄膜，外延NbN展现出更稳定的v_LO
平台（2km/s@1T），其τ_e-ph
<20ps的特性为开发低时序抖动(timing jitter)SNSPD提供了材料基础。这一发现不仅解决了v_LO
测量差异的争议，更为超导-铁磁异质结器件的设计提供了新思路。