【摘 要】
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超导量子计算是实现通用量子计算的重要路径之一,其基本信息单元为超导量子比特。作为一种人造量子比特,超导量子比特主要由超导约瑟夫森结和超导电容、电感等超导电路组成,其中约瑟夫森结是其核心元器件。与约瑟夫森结的传统超导材料铝（Al）膜相比,氮化钛（TiN）拥有更高的超导临界温度、更长的退相干时间以及更小的微波损耗,是制备长寿命超导量子比特的理想材料。然而,作为一种难熔金属陶瓷,高质量TiN的制备条件极
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
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超导量子计算是实现通用量子计算的重要路径之一,其基本信息单元为超导量子比特。作为一种人造量子比特,超导量子比特主要由超导约瑟夫森结和超导电容、电感等超导电路组成,其中约瑟夫森结是其核心元器件。与约瑟夫森结的传统超导材料铝（Al）膜相比,氮化钛（TiN）拥有更高的超导临界温度、更长的退相干时间以及更小的微波损耗,是制备长寿命超导量子比特的理想材料。然而,作为一种难熔金属陶瓷,高质量TiN的制备条件极其苛刻,阻碍了其相关研究。面向下一代超导量子比特的设计,本论文聚焦新型约瑟夫森结的超导层材料与绝缘层材料,开展了系统性研究,初步实现了 TiN基约瑟夫森结低维结构的设计与制备。首先,建立了高质量TiN单晶薄膜的外延生长方法。基于自主研制的溅射外延生长设备,本论文系统研究了生长气压与溅射间距对薄膜质量的影响规律。发现,不同生长气压下,虽然薄膜都是共格外延生长,但是低气压生长时,薄膜中存在二阶杂相。生长气压为0.02 Torr时,薄膜的各项综合性能最优,具有高超导临界温度、高结晶性、低表面粗糙度。另外,本论文也系统研究了溅射间距对薄膜质量的影响,结果表明溅射间距对TiN薄膜的晶体结构影响较小。其次,通过多步掩膜生长法,成功制备了高质量TiN基约瑟夫森结低维结构。本论文通过系统研究面心立方相Ti薄膜、岩盐相Ti Ox薄膜和立方尖晶石相氮氧化铝（AlON）薄膜与TiN薄膜的生长兼容性,发现立方尖晶石相ALON薄膜为理想的TiN基约瑟夫森结绝缘层材料。在此基础上,通过合理设计多步掩膜生长工艺,本论文分别在MgO（001）和Al2O3（0001）衬底上制备了高质量TiN/AlON/TiN约瑟夫森结低维结构。结果显示两个衬底上的TiN/AlON/TiN多层膜均为单一晶体取向,高分辨X射线衍射测量表明该约瑟夫森结具有平滑的表面和明锐的界面。更为重要的是,通过低温电输运测量,观察到了台阶状的超导隧穿电流,表明该新型约瑟夫森结初步具备了制备超导量子比特的物理性质。
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