Supraleitung in Gallium-implantiertem Silizium

• Main Author: Skrotzki, Richard
• Other Authors: Technische Universität Dresden, Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden 2016
• Subjects: Supraleiter; Halbleiter; Silizium Wafer; amorphes Gallium; Dünnschicht; nanokristallines Gefüge; Ionen-Implantation; Fotolithografie; fokussierter Ionenstrahl; elektrischer Transport; hohe Magnetfelder; Supraleiter-Isolator-Übergang; Netzwerk aus Josephson-Kontakten; Phaseslip-Ereignisse; doppelt reentrante Supraleitung; supraleitende Fluktuationen; Little-Parks-Effekt; superconductor; semiconductor; silicon wafer; amorphous gallium; thin film; nanocrystalline structure; ion-implantation; photolithography; focused-ion beam; electrical transport; high magnetic fields; superconductor-insulator transition; Josephson-junction array; phase-slip events; double reentrant superconductivity; superconducting fluctuations; Little-Parks effect; ddc:530; rvk:UP 2200; Silicium; Gallium; Ionenimplantation; Dünne Schicht; Elektronischer Transport; Metall-Isolator-Phasenumwandlung; Josephson-Gitter
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-207365; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-207365; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/20736/Dissertation_Richard_Skrotzki_PDFA.pdf

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. === The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.