FeSe超导纳米线及其制备方法

fese超导纳米线及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及超导技术领域，特别涉及一种fese超导纳米线及其制备方法，该fese超导纳米线可用于高温超导纳米线单光子探测器。


背景技术：

2.超导纳米线单光子探测器是一种最新的单光子检测技术，它可以高效、快速、准确地探测单光子，并且暗计数低、响应频谱宽，是当前单光子探测技术研究领域中的热门研究方向。
3.现有的超导纳米线单光子探测器所使用的通常是nbn超导纳米线，但是nbn超导纳米线的超导转变温度低于10k，导致制冷成本较大。因此，如何提供一种超导转变温度较高的超导纳米线，从而降低制冷成本，并使得超导纳米线单光子探测器可以应用于高温领域，成为本领域一项亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可用于高温超导纳米线单光子探测器的fese超导纳米线及其制备方法，以提高fese超导纳米线的稳定性和使用寿命，降低超导纳米线单光子探测器的制冷成本，并使得超导纳米线单光子探测器可以应用于高温领域。
5.为达到上述目的，本发明实施例提供一种可用于测试的fese超导纳米线，包括：
6.钛酸锶衬底，所述钛酸锶衬底的上表面经刻蚀形成凸起的弓字形钛酸锶纳米线以及与所述弓字形钛酸锶纳米线相连的多个用于测试的电极；
7.fese外延层，覆盖于所述钛酸锶衬底的上表面，其中，位于所述弓字形钛酸锶纳米线顶部的fese外延层用于形成弓字形fese纳米线，位于所述电极顶部的fese外延层用于形成探针结构；
8.fete外延层，覆盖于所述fese外延层的上表面；
9.介质保护层，覆盖于所述fese外延层的侧壁及所述fete外延层的上表面与侧壁。
10.在一实施例中，所述弓字形钛酸锶纳米线包括弯曲部与直线部，所述弯曲部的数量为1个至10个，所述直线部的线宽为50nm～100nm，所述弯曲部的线宽为所述直线部的线宽的2倍至4倍，相邻直线部的间距为50nm～100nm，所述直线部的线宽与相邻直线部的间距的比值为1:1～1:3；所述弓字形钛酸锶纳米线凸起的高度为25nm～70nm。
11.在一实施例中，所述电极凸起的高度为25nm～70nm，所述电极在平行于所述钛酸锶衬底的上表面方向上的截面形状为矩形，所述矩形的边长为100μm～300μm。
12.在一实施例中，所述fese外延层为1～3个fese原子层，所述fese外延层的厚度为0.5nm～1.5nm。
13.在一实施例中，所述fete外延层为10～40个fete原子层，所述fete外延层的厚度为5nm～20nm。
14.在一实施例中，所述介质保护层的材料包括氮化硅和氧化硅等绝缘介质，所述介
质保护层的厚度为30nm～80nm。
15.本发明实施例还提供一种可用于测试的fese超导纳米线的制备方法，包括：
16.在钛酸锶衬底的上表面旋涂电子束胶；
17.对所述电子束胶进行电子束曝光、显影与定影，使所述电子束胶形成预定图案；
18.将所述预定图案的电子束胶作为掩模，对所述钛酸锶衬底进行刻蚀，以使所述钛酸锶衬底的上表面形成凸起的弓字形钛酸锶纳米线以及与所述弓字形钛酸锶纳米线相连的多个电极；
19.剥离所述电子束胶；
20.在所述钛酸锶衬底的上表面生长fese外延层，其中，位于所述弓字形钛酸锶纳米线顶部的fese外延层用于形成弓字形fese纳米线，位于所述电极顶部的fese外延层用于形成探针结构；
21.在所述fese外延层的上表面生长fete外延层；
22.在所述fese外延层的侧壁以及所述fete外延层的上表面与侧壁形成介质保护层。
23.在一实施例中，在生长所述fese外延层之前，还包括：
24.利用去离子水，盐酸以及退火处理，使所述钛酸锶衬底的表面达到原子级平整。
25.在一实施例中，在对所述钛酸锶衬底进行刻蚀时，可以从以下方法中选择一种刻蚀方法：
26.利用氩离子束对所述钛酸锶衬底进行刻蚀，并且每刻蚀第一预定时长后，停止刻蚀第二预定时长，以避免所述电子束胶变性；
27.或者，
28.利用三氟甲烷和氩气的混合气体刻蚀所述钛酸锶衬底；
29.或者，
30.利用六氟化硫和/或氯气反应离子，对所述钛酸锶衬底进行刻蚀。
31.由以上本公开实施例提供的技术方案可见，本发明提供的fese超导纳米线的超导转变温度可以达到20k以上，相较于现有的nbn超导纳米线，可以大大降低制冷成本，使得超导纳米线单光子探测器可以应用于高温领域。
32.本发明提供的fese超导纳米线，利用介质保护层有效地避免了fese与空气的接触，从而提高了器件的稳定性和使用寿命。
33.此外，现有的制备超导纳米线的方法，可以理解为一种“自上而下”的方法，也就是通过对fese单晶薄膜进行高精度的光刻来制作fese超导纳米线，此过程涉及在fese单晶薄膜上进行匀胶，前烘加热，显影，刻蚀和去胶等工艺步骤。但是，空气会破坏fese单晶薄膜，加热也会加速fese单晶薄膜分解，并且光刻胶、前烘加热、显影液、去胶液也会导致fese超导薄膜的性能和fete保护层变差，降低fese超导纳米线的超导转变温度。进一步的，当fese超导纳米线的宽度小于100nm时，对设备和制作工艺也提出更高的要求，制作成本增加很大。
34.考虑到现有的制备超导纳米线的方法所存在的上述缺陷，本发明实施例提供的制备方法可以理解为一种“自下而上”的方法，通过在钛酸锶衬底的上表面先形成弓字形钛酸锶纳米线，再在弓字形钛酸锶纳米线的顶部外延生长弓字形fese纳米线，有效地避免了fese接触空气，也避免了fese与光刻胶、显影液、去胶液等物质的接触，有效地降低了制备
过程中对fese超导特性的影响，从而避免了在制备过程中降低fese超导纳米线的超导转变温度。并且利用本发明实施例提供的制备方法制备线宽在50nm～100nm之间的纳米线，并不会带来制作成本的提高。
35.此外，本发明实施例在形成弓字形钛酸锶纳米线的同时，还在钛酸锶衬底的上表面形成了多个与弓字形钛酸锶纳米线相连的电极，再通过生长fese外延层，形成探针结构，可以直接对fese超导纳米线进行输运测试。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明实施例提供的制备fese超导纳米线的方法流程图；
38.图2是本发明实施例提供的钛酸锶衬底的结构示意图；
39.图3是本发明实施例提供的在钛酸锶衬底上旋涂电子束胶的结构示意图；
40.图4是本发明实施例提供的在电子束胶形成预定图案之后的结构示意图；
41.图5是本发明实施例提供的刻蚀钛酸锶衬底之后的结构示意图；
42.图6是本发明实施例提供的剥离电子束胶之后的结构示意图；
43.图7是本发明实施例提供的形成fese外延层之后的结构示意图；
44.图8是本发明实施例提供的形成fete外延层之后的结构示意图；
45.图9是本发明实施例提供的形成介质保护层之后的结构示意图；
46.图10是本发明实施例提供的fese超导纳米线的俯视图。
具体实施方式
47.下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求限定的范围内。
48.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
49.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
50.本发明实施例提供一种可用于测试的fese超导纳米线，包括：
51.钛酸锶衬底，所述钛酸锶衬底的上表面经刻蚀形成凸起的弓字形钛酸锶纳米线以及与所述弓字形钛酸锶纳米线相连的多个用于测试的电极；
52.fese外延层，覆盖于所述钛酸锶衬底的上表面，其中，位于所述弓字形钛酸锶纳米线顶部的fese外延层用于形成弓字形fese纳米线，位于所述电极顶部的fese外延层用于形
成探针结构；
53.fete外延层，覆盖于所述fese外延层的上表面；
54.介质保护层，覆盖于所述fese外延层的侧壁及所述fete外延层的上表面与侧壁。
55.在一实施例中，所述钛酸锶衬底为本征钛酸锶单晶绝缘衬底。
56.在一实施例中，所述弓字形钛酸锶纳米线包括弯曲部与直线部，所述弯曲部的数量为1个至10个，所述直线部的线宽为50nm～100nm，所述弯曲部的线宽为所述直线部的线宽的2倍至4倍，相邻直线部的间距为50nm～100nm，所述直线部的线宽与相邻直线部的间距的比值为1:1～1:3；所述弓字形钛酸锶纳米线凸起的高度为25nm～70nm。
57.在一实施例中，所述电极凸起的高度为25nm～70nm，所述电极在平行于所述钛酸锶衬底的上表面方向上的截面形状为矩形，所述矩形的边长为100μm～300μm。
58.在一实施例中，所述fese外延层为1～3个fese原子层，所述fese外延层的厚度为0.5nm～1.5nm。
59.在一实施例中，所述电子束胶的胶厚为200nm～300nm。
60.在一实施例中，所述fete外延层为10～40个fete原子层，所述fete外延层的厚度为5nm～20nm。
61.在一实施例中，所述介质保护层的材料包括氮化硅和氧化硅等绝缘介质材料，所述介质保护层的厚度为30nm～80nm。
62.参考图1所示，为了制备上述fese超导纳米线，本发明实施例还提供一种可用于测试的fese超导纳米线的制备方法，可以包括以下步骤：
63.s1：在钛酸锶衬底的上表面旋涂电子束胶。
64.具体的，参考图2所示，在钛酸锶衬底1的上表面旋涂电子束胶之前，需要通过去离子水，盐酸以及退火处理，使得钛酸锶衬底1的上表面达到原子级平整。
65.具体的，参考图3所示，在钛酸锶衬底1的上表面达到原子级平整之后，在钛酸锶衬底1的上表面旋涂电子束胶2。
66.具体的，可以将钛酸锶衬底1放置在热板上，并加热至100℃～180℃，加热时长为2分钟～3分钟，电子束胶的材料可以选择在金属表面附着力好和分辨率高的甲基丙烯酸甲酯(pmma)，也可以选择抗刻蚀能力强的zep-520a(α-氯代丙烯酸甲酯和α-甲基苯乙烯的交替共聚物)或者电子束负胶hsq(聚氢倍半硅氧烷)，旋转速度为3000～4000转/分钟，旋涂的时长为1～2分钟，前烘的温度为150℃～200℃，烘箱烘烤的时长为60分钟以上或热板烘烤2.5分钟～5分钟。
67.s2：对所述电子束胶进行电子束曝光、显影与定影，使所述电子束胶形成预定图案。
68.具体的，形成的预定图案包括弓字形纳米线部分，在对电子束胶进行电子束曝光时，要控制好曝光剂量，以防止弓字形纳米线部分的电子束胶由于邻近效应被曝穿或者过细，从而影响后续对钛酸锶衬底的刻蚀。
69.具体的，使用的显影液可以是甲基异丁基甲酮(mibk)与异丙醇(ipa)的混合溶液，显影处理40～60秒；使用的定影液可以是异丙醇或者乙醇，定影处理30秒～60秒，再热板加热至150℃～200℃，加热时长为2.5分钟～5分钟。
70.s3：将所述预定图案的电子束胶作为掩模，对所述钛酸锶衬底进行刻蚀，以使所述
钛酸锶衬底的上表面形成凸起的弓字形钛酸锶纳米线以及与所述弓字形钛酸锶纳米线相连的多个电极。
71.具体的，可以利用氩离子束对所述钛酸锶衬底进行刻蚀，并且每刻蚀第一预定时长后，停止刻蚀第二预定时长，以避免所述电子束胶变性。例如，每刻蚀一分钟，停止刻蚀两分钟。
72.或者，
73.利用三氟甲烷(chf3)和氩气(ar)的混合气体刻蚀所述钛酸锶衬底；其中，三氟甲烷刻蚀钛酸锶衬底属于化学反应刻蚀，会生成srf2沉积物，氩气是物理刻蚀，在刻蚀钛酸锶衬底的同时，把srf2沉积物刻蚀掉。
74.或者，
75.利用六氟化硫(sf6)和/或氯气(cl2)反应离子，对所述钛酸锶衬底进行刻蚀。其中，只用六氟化硫刻蚀钛酸锶衬底的速率比只用氯气慢，将六氟化硫与氯气按照1:9的比例混合，能达到最大的刻蚀速率。
76.具体的，根据电子束胶的胶厚的不同以及弓字形钛酸锶纳米线凸起的高度不同，刻蚀气体的不同，刻蚀的时长可以为1分钟～10分钟。
77.具体的，参考图4与图5所示，将预定图案的电子束胶3作为掩模，对钛酸锶衬底1进行刻蚀后，可以在钛酸锶衬底1的上表面形成凸起的弓字形钛酸锶纳米线4以及与弓字形钛酸锶纳米线4相连的多个电极5。
78.s4：剥离所述电子束胶。
79.具体的，可以先通过去胶液加热浸泡，其中，去胶液可以为丙酮，加热至60℃～70℃，加热时长可以为60分钟～120分钟，再利用超声处理2分钟～5分钟，然后再利用异丙醇处理2分钟～3分钟，最后用氮气吹干，从而去除电子束胶。去除电子束胶之后的结构示意图可以参考图6所示。
80.s5：在所述钛酸锶衬底的上表面生长fese外延层，其中，位于所述弓字形钛酸锶纳米线顶部的fese外延层用于形成弓字形fese纳米线，位于所述电极顶部的fese外延层用于形成探针结构。
81.具体的，在生长fese外延层之前，还需要利用去离子水，盐酸以及退火处理，使钛酸锶衬底的表面达到原子级平整。例如，使弓字形钛酸锶纳米线的顶部达到原子级平整，从而有利于在钛酸锶表面生长高质量的单晶fese薄膜。
82.具体的，参考图7所示，为形成fese外延层之后的结构示意图，图7中，编号6、编号7以及编号8所示的结构均为fese外延层，其中，编号7所示的结构形成了弓字形fese纳米线，编号8所示的结构与电极5构成了探针结构。
83.s6：在所述fese外延层的上表面生长fete外延层。
84.具体的，参考图8所示，为形成fete外延层之后的结构示意图，图8中，编号9、编号10以及编号11所示的结构均为fete外延层，
85.s7：在fese外延层的侧壁以及fete外延层的上表面与侧壁形成介质保护层。
86.具体的，可以利用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)形成所述介质保护层。参考图9所示，为最终得到的fese超导纳米线结构，其中，编号12为介质保护层，编号13为覆盖了介质保护层的纳米线，编号14、编号15、编号16以及编号17为覆盖了介质保护层的探针结
构。参考图10所示，为最终得到的fese超导纳米线结构的俯视图，其中，可以将编号14和编号15所示的探针结构与电流表相连，将编号16和编号17所示的探针结构与电压表相连。需要说明的是，探针结构并不限于4个，可以通过改变电子束胶形成的图案，从而改变钛酸锶衬底的上表面形成的电极的数量，进而改变探针结构的数量。例如，探针结构的数量可以是5个，也可以是6个，对此本发明不做限定。
87.本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
88.以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。