α-Ta(111) 薄膜用于量子比特应用：厚度依赖性与普适尺度研究
材料科学
2025-04-03 v1 量子物理
摘要
我们探讨了α-Ta 薄膜的生长过程，厚度范围从超薄（2 nm）到厚薄膜（250 nm），采用溅射异晶生长于 c 面蓝宝石衬底上。我们使用 100 W 功率，32 mTorr 溅射压力，650° 基片沉积温度。通过 X 射线衍射测量提取晶格常数和生长取向，发现其为单向取向的 (111) 薄膜，晶格间距与 Ta 单晶体的值 3.31 Å 一致。X 射线反射率用于表征随厚度变化的天然氧化层、薄膜及衬底-薄膜界面。我们观察到非常光滑的形貌，平均粗糙度为 700 pm，由反射率和原子力显微镜均确定。薄膜以小岛形式生长，其阶地宽度随厚度线性增长至 150 nm 时保持恒定。从反射率测量中，我们发现具有 1 nm 临界厚度的伪形层以及自限制性非晶氧化层，氧化层厚度为 2.25 nm；这两层与厚度无关，仅当总厚度超过 4 nm 时才独立。我们还通过电子输运测量研究了超导相变，使用 Vander Pauw 方法测量温度随厚度的电阻率。我们观察到临界超导温度随总薄膜厚度平滑变化，从 7.5 nm 时的 2.9 K 到 269.2 nm 时的 4.2 K，符合超导体中普适厚度尺度的预期。我们采用密度泛函理论模拟了解 α-Ta(111) 表面氧化过程的机制。我们发现，随着表面氧气含量的增加，Ta 逐渐失去其晶体结构。当 Ta:O 比例超过 1:1 时，发生显著的结构扭曲，形成非晶 TaO 相。
引用
@article{arxiv.2504.01130,
title = {{\alpha}-Ta (111) Thin Films for Qubit Applications: A Study of Thickness Dependence and Universal Scaling},
author = {Nate Price and Jose Gutiérrez and Sushant Padhye and Sara McGinnis and Carter Wade and Huma Yusuf and Lakshan Don Manuwelge Don and Kurt Eyink and J. Guerrero-Sánchez and Evgeny Mikheev and Joseph P. Corbett},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.01130},
year = {2025}
}