論文の概要: α-Ta (111) Thin Films for Qubit Applications: A Study of Thickness Dependence and Universal Scaling

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.01130v1
• Date: Tue, 01 Apr 2025 19:01:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-03 13:18:54.304863
• Title: α-Ta (111) Thin Films for Qubit Applications: A Study of Thickness Dependence and Universal Scaling
• Title（参考訳）: 量子ビット用α-Ta(111)薄膜:厚さ依存性とユニバーサルスケーリングに関する研究
• Authors: Nate Price, Jose Gutiérrez, Sushant Padhye, Sara McGinnis, Carter Wade, Huma Yusuf, Lakshan Don Manuwelge Don, Kurt Eyink, J. Guerrero-Sánchez, Evgeny Mikheev, Joseph P. Corbett,
• Abstract要約: α-Ta薄膜は、c面サファイア基板上にスパッタエピタキシーにより成長した超薄膜(2nm)から厚膜(250nm)まで幅広い。 X線回折法による薄膜の格子定数と成長方向の抽出 α-Ta(111)表面上の酸化過程の密度汎関数理論シミュレーション
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• Abstract: We explore the growth of {\alpha}-Ta thin films ranging from ultra-thin (2 nm) to thick (250 nm) films grown by sputter epitaxy on c-plane sapphire substrates. We utilized 100 W power with a 32 mTorr sputter pressure at 650 {\deg} substrate deposition temperature. We used X-ray diffractometry to extract the lattice constant and growth orientation of the films, finding a mono-oriented (111) films with a lattice spacing in agreement with a bulk Ta value of 3.31 {\AA}. X-ray reflectometry is used to characterize the native oxide, film, and substrate-film interface as a function of thickness. We observe a very smooth morphology with an average roughness of 700 pm, as determined by both reflectometry and atomic force microscopy. The film nucleates with small islands, whose terrace width grows linearly as a function of thickness until 150 nm, where the terrace width becomes constant. From our reflectometry measurements, we uncover a pseudomorphic layer with a critical thickness of 1 nm and a self-limiting amorphous oxide that grows to a thickness of 2.25 nm; both of these layers are independent of thickness beyond 4 nm total thickness. We also studied the superconducting transition through electronic transport measurements using the Van der Pauw method to measure resistivity as a function of temperature. We observed a smooth evolution in critical superconducting temperature with total film thickness, from 2.9 {\deg}K for 7.5 nm to 4.2 {\deg}K for 269.2 nm, as expected from universal thickness scaling in superconductors. Density functional theory simulations were used to understand the oxidation process at the top surface layers of {\alpha}-Ta (111). We observed that as the oxygen content on the surface increases, the Ta progressively loses its crystalline structure. Significant structural distortions occur when the Ta:O ratio exceeds 1:1, forming an amorphous TaO phase.
• Abstract（参考訳）: C面サファイア基板上でのスパッタエピタキシーにより成長した超薄膜(2nm)から厚膜(250nm)まで, {\alpha}-Ta薄膜の成長について検討した。 基板蒸着温度650 {\deg} において, 32 mTorr スパッタ圧力で 100 W 電力を利用した。 我々はX線回折法を用いて薄膜の格子定数と成長方向を抽出し,バルクTa値 3.31 {\AA} と一致する格子間隔を有する単配向(111)膜を発見した。 X線反射率計は、ネイティブオキシド、フィルム、基板-フィルム界面を厚みの関数として特徴付けるために用いられる。 反射法と原子間力顕微鏡の両方を用いて, 平均粗さ700 pmの非常に滑らかな形態を観察した。 テラス幅は150nmまで厚みの関数として直線的に成長し、テラス幅は一定になる。 反射率測定により, 厚さが1nmを超える擬似型層と厚さが2.25nmに成長する非晶質酸化物を見出した。 また、Van der Pauw法による電子輸送測定による超伝導転移の研究を行い、比抵抗を温度関数として測定した。 超伝導体全体の膜厚が2.9.deg}Kの7.5nmから4.2.deg}Kの269.2nmまでの臨界超伝導温度のスムーズな進化を観察した。 密度汎関数理論シミュレーションを用いて, 表面上層における酸化過程の解明を行った。 表面の酸素含有量が増加するにつれて、Taは結晶構造を徐々に失うことが観察された。 Ta:O比が1:1を超え、アモルファスTaO相を形成すると、重要な構造歪みが発生する。

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