通过X射线辐照和纳米图案化技术调节MgB2薄膜的传输特性

《Materials Research Bulletin》：Modulation of transport properties of MgB 2 thin films via X-ray irradiation and nanopatterning

同步辐射纳米探针辐照MgB?薄膜微桥引发氧掺杂，导致电阻率骤增与超导态转变宽化，揭示了SNS Josephson耦合机制，为量子技术应用提供新路径。

　　

萨钦·辛格（Sachin Singh）|马泰奥·弗雷托（Matteo Fretto）|瓦伦蒂娜·博尼诺（Valentina Bonino）|安德烈亚·亚历西奥（Andrea Alessio）|安杰洛·阿戈斯蒂诺（Angelo Agostino）|贝内代塔·维塔莱（Benedetta Vitale）|埃莉扎贝塔·迪·弗朗西亚（Elisabetta Di Francia）|米哈伊尔·贝洛戈洛夫斯基（Mikhail Belogolovskii）|马可·特鲁卡托（Marco Truccato）

意大利都灵大学物理系，Via P. Giuria 1，10135 都灵

摘要

高质量MgB₂薄膜被加工成微桥形状，并在不同的入射角度和停留时间下暴露于同步辐射纳米探针中。原始的超导微桥表现出明显的转变和相对较低的室温电阻率ρ_pri。辐照后，大多数微桥失去了超导性，其电阻率ρ_irr显著增加，这与氧的掺入有关。这些微桥还发展出了无序的金属相，其转变宽度增加了大约两个数量级。在电阻率比ρ_irr/ρ_pri最低时，10 K下的电流-电压特性显示出具有滞后现象的突然电压跳变，这与SNS约瑟夫森耦合或相位滑移线机制一致。这些特征与聚焦离子束制造的六十个基于MgB₂的约瑟夫森结阵列相匹配，表明超电流具有σ带特性。这些结果证明了同步辐射纳米探针是MgB₂纳米尺度缺陷工程和相控制的精确工具，并为调节其超导性质提供了途径，未来可能在量子技术中得到应用。

引言

MgB₂是一种金属间化合物，在基于声子介导的电子配对机制的经典BCS超导体中具有最高的临界温度（T_c ≈ 39 K）。这使得它在20?30 K温度范围内具有特别的应用潜力，因为在该温度范围内可以使用机械制冷方法，而且这种方法在减少使用液氦相关的复杂性方面非常有效。

其技术吸引力还在于，与高温超导体不同，MgB₂的晶界不会对超电流的流动构成显著障碍，从技术角度来看，这为生产这种材料的不同形式提供了巨大优势。实际上，在电缆生产领域，相关技术已经成熟到可以制造长度达6公里的连续导线[1]；而在薄膜生长方面，最近已经制备出了直径为100毫米、临界温度在32?37 K范围内且均匀性达到94.50%的MgB₂晶圆[2]。

这种材料与不同类型辐射的相互作用从基础研究和实际应用的角度来看都非常有趣，因此一直是广泛研究的对象。

中子和α射线的效应已经被最广泛地研究过（参见[3]及其参考文献）。由于中子在不引入任何化学掺杂的情况下产生无序，研究表明，在高达10¹⁸ cm^?2的辐照水平下，T_c仅略有降低，而更高辐照水平下则迅速下降；同时残余电阻率的增加是单调的。尽管适度的无序（即中子辐照量高达2?×?10¹⁸ cm^-2）可以使上临界场H_c2值提高大约两倍，但更高量的辐照会导致超导性质的显著退化[4]。从微观角度来看，这些实验揭示了无序会抑制材料的各向异性（例如在H_c2中），并在T_c降至10?20 K时导致两个超导能隙合并为一个能隙[5,6]。从实际应用的角度来看，这些结果表明MgB₂非常适合在辐射恶劣的环境中使用，例如高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）[1,7]或潜在的核聚变电站，这些场所可能使用极化燃料[8,9]。

质子辐照也得到了相当广泛的研究。对于低能量质子（E?=?2 MeV），在平均每个原子1%的位移（d.p.a.）的辐照水平下，主要效应是临界电流密度与磁场（J_c-B）曲线的斜率降低[10]，这意味着只有在20 K以下的温度下才能观察到不可逆场H_irr(T)的轻微增强[11]。在微观尺度上，据报道，对于能量高达E?=?14 MeV的情况，主要的损伤机制是Mg空位的形成，因为Mg的阈值位移能量（20 eV）远低于B的阈值位移能量（46 eV）。而在较高质子能量下，两种原子物种的空位数量变得相当[12]。就辐照量而言，最明显的效应是在辐照量Φ ≈ 8.4?×?10¹⁶ cm^?2时T_c略有下降，以及H_irr(T=0)增加了40%以上，这表明随着Φ的增加，J_c在强磁场和T < 25 K的条件下普遍得到增强[13]。

在电子辐照下也观察到了类似的残余电阻率增加和T_c降低的现象，同时超导转变宽度变宽[14], [15], [16]]。除了确认MgB₂中超导性的波对称性[14]外，这些实验还对晶格中产生的缺陷性质提供了相互矛盾的指示。在非常低的电子辐照量（高达约5?×?10¹⁵ cm^–2）下，主要机制似乎是Mg空位的形成[16]；但对于更高的辐照量（最高约为2.3?×?10¹⁸ cm^–2），则根据辐照量的不同范围，会出现B或Mg空位占主导的情况[15]。这项研究中的一个异常现象是随着辐照量的增加，c轴晶格参数减小[15]，这与质子辐照下报告的显著不变性[12]以及中子辐照下广泛报告的增加[3]明显不同。很可能本研究中使用的原始样品的异常高残余电阻率（大约是典型值的两倍）在这一结果中起到了重要作用。

γ射线辐照也进行了研究，证实T_c几乎不变或仅随剂量增加而略有降低（最高达到5000 MR），而残余电阻率增加[17], [18], [19], [20]]。通过传输方法测量的J_c增强仅是边缘性的[17,19]；而通过磁化测量得到的结果则显示，在低温（T ≤10 K）和低场（H=0）下，剂量为5000 kGy时，J_c增加了近5倍[18]。鉴于γ射线可以穿透整个样品体积，对于这种效应提出了不同的解释机制，包括MgO杂质迁移到MgB₂晶粒内部或在晶界处氧的富集，从而增强了涡旋钉扎[18,19]。

相比之下，关于X射线辐照对这种材料的影响的研究非常有限。据我们所知，唯一的相关报告是关于暴露于Cu靶产生的X射线后的热刺激发光（TSL）的测量。观察到在0.63 eV深度形成了陷阱，并且在20 mGy到20 Gy的X射线剂量范围内，TSL信号与X射线剂量之间存在线性比例关系，从而确定MgB₂是一种潜在的剂量计候选材料[21]。

另一方面，使用同步辐射纳米探针对其他材料进行的强烈X射线辐照研究已经相当广泛，揭示了以受控方式定向其传输特性的可能性——这一过程被称为X射线纳米图案化（XNP）。例如，XNP已被用于Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ中以改变超电流路径并探测其内在的约瑟夫森结结构[22]，以及在TiO_2-x中以改善和引导电成形过程，同时促进金红石向锐钛矿的相变[23], [24], [25]]。

本文旨在将这一研究方向扩展到MgB₂，重点研究高强度X射线辐照对其传输特性的影响，从而评估将XNP应用于这种材料的潜在可行性。

实验部分

实验

晶体MgB₂薄膜是通过混合物理-化学气相沉积（HPCVD）技术在SiC（0001）衬底上生长的[26]。这些薄膜由一层30纳米厚的MgB₂组成，其c轴垂直于衬底；此外还有一层10纳米厚的SiO_x覆盖层，用于保护MgB₂免受湿气及其超导性质退化的影响，如图1a所示。

使用海德堡仪器的μpg101 Maskless Aligner设备进行了UV（λ?=?365 nm）光刻工艺

– 非超导微桥的辐照

图3展示了一个在辐照前不表现出超导行为的微桥的R-vs-T曲线的低温部分。相反，其金属行为在13 K以下转变为类似半导体的趋势。这种从金属到半导体的转变表明了弱局域化效应的开始，这是无序金属系统的典型特征。

结论

总之，通过HPCVD技术生长的MgB₂薄膜被加工成微桥，并使用X射线纳米图案化（XNP）技术进行了修改。本研究表明，XNP通过控制氧在薄膜中的掺入，诱导了MgB₂性质的明确且可重复的纳米尺度变化。

这种成分变化导致辐照区域内的电阻率显著增加，这一点通过成分分析得到了证实

CRediT作者贡献声明

萨钦·辛格（Sachin Singh）：撰写——审阅与编辑、可视化、研究、数据分析。马泰奥·弗雷托（Matteo Fretto）：撰写——审阅与编辑、验证、资源管理、方法论、研究。瓦伦蒂娜·博尼诺（Valentina Bonino）：撰写——审阅与编辑、资源管理、研究、概念化。安德烈亚·亚历西奥（Andrea Alessio）：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、概念化。安杰洛·阿戈斯蒂诺（Angelo Agostino）：撰写——审阅与编辑、资源管理、研究。贝内代塔·维塔莱（Benedetta Vitale）：撰写——审阅与

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

米哈伊尔·贝洛戈洛夫斯基（Mikhail Belogolovskii）报告称获得了EU-NextGenerationEU-Project 09I03-03-V01-00139的财务支持。萨钦·辛格（Sachin Singh）报告获得了法国巴黎Chipiron公司的财务支持。马可·特鲁卡托（Marco Truccato）与法国巴黎Chipiron公司存在关系，包括差旅费用报销。如果还有其他作者，他们声明没有已知的相关利益冲突

致谢

感谢天普大学的陈凯（Ke Chen）和奚晓星（Xiaoxing Xi）提供本研究中使用的MgB₂薄膜。感谢ESRF和ID16B的工作人员分配了实验时间以及提供了极其重要的技术合作。还要感谢伊琳娜·斯尼吉雷娃（Irina Snigireva）在扫描电子显微镜（SEM）方面的宝贵贡献。米哈伊尔·贝洛戈洛夫斯基（Mikhail Belogolovskii）的工作得到了欧盟NextGenerationEU项目通过斯洛伐克恢复与韧性计划的支持