[发明专利]基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，其特征在于包括：拓扑绝缘体材料，包括上表面和下表面；由超导材料构成的顶超导电极和底超导层，分别与所述上表面接触和下表面接触。该器件利用了拓扑绝缘体表面态的自旋动量锁定特性，并结合超导特性构成了一种全新的超导量子干涉器件，该器件利用超导量子干涉环中的相位调制作用并结合双拓扑表面态来共同调控器件的性能。且该器件体积小，性能高，可以广泛应用在今后基于新一代自旋电子学的约瑟夫森超导器件中。

技术领域

本发明涉及微电子器件的技术领域，尤其是一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件及其制备方法。

背景技术

近几十年，超导约瑟夫森器件已由最早的传统超导实验器件发展至当今的高温超导约瑟夫森器件、超导量子干涉器件等。随着人们对信息处理的高速度、高标准需求，传统的超导约瑟夫森器件已经很难满足。因此，寻找功能更新、性能更稳定的约瑟夫森器件已经成为电子信息技术和新一代量子计算技术迫切需要考虑和解决的问题。近些年的研究也发现，一些具有自旋分离或自旋动量锁定特性的材料可以广泛应用于超导自旋电子器件的研制和开发中。由于这类材料具有特殊的空间结构和能带结构，其自旋输运性质和超导性质较以往传统的超导电子器件具有明显地差异，而这类器件的出现将大大弥补传统基于绝缘体材料和超导材料所设计出的约瑟夫森器件不足，有望成为下一代用于高性能超导电子线路的主要元器件。

超导约瑟夫森量子器件的种类很多，其中包括具有开关效应的超导约瑟夫森器件和具有相位调节功能的约瑟夫森器件。近些年随着越来越多新型超导材料的出现，寻找合适的材料来实现高性能相位调节的约瑟夫森效应器件仍存在很多的瓶颈，除了在工业上器件的制备困难，成本高，效率差，还存在如何发展性能更多、稳定性更好的功能性超导约瑟夫森器件。尤其近些年来随着量子计算的发展。调控马约拉那费米子等高技术的超导约瑟夫森器件也在逐步地探索和研发。而基于拓扑超导的约瑟夫森器件是比较有代表性的一种。随着分子束外延技术的日趋成熟，人们可以在多种功能性材料体系里通过邻近效应等手段来实现材料的超导。近些年利用拓扑绝缘体的上下表面自旋动量锁定的表面态，并利用传统的超导材料的邻近效应来诱导拓扑绝缘体的表面超导并形成拓扑超导体，从而实现这种高性能的拓扑超导约瑟夫森器件的开发。当前基于双表面的超导约瑟夫森器件主要是一些传统的约瑟夫森器件，而传统的约瑟夫森器件由于隧道结为普通金属。其体内缺少拓扑绝缘体材料中的手性边缘态，因此在未来的器件应用上不具有调控马约拉那费米子的特性。然而在文献报道中单拓扑超导表面的拓扑超导体器件由于拓扑绝缘体材料的上下两个表面不能全部诱导为拓扑超导相，其非库珀对的正常电子会大幅度地降低库伯对的相干性和拓扑超导的相干特性。从而导致最终的马约拉那费米子调控器件退相干而失效。

发明内容

基于上述背景，本发明利用超导邻近效应的原理在拓扑绝缘体的表面引入超导，从而制备具有双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件。该发明同时提供这种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件的制备方法。

根据本发明的一方面，提供一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，包括：

拓扑绝缘体材料，包括上表面和下表面；

由超导材料构成的顶超导电极和底超导层，分别与所述上表面接触和下表面接触。

在进一步的实施方案中，所述的拓扑绝缘体的上下两个表面和所述的顶超导电极和底超电极之间的连线垂直所述拓扑绝缘体上下两个表面与所述的拓扑绝缘体的体材料同属于一种材料。

在进一步的实施方案中，所述拓扑绝缘体材料中含义掺杂材料，优选的所述掺杂材料为钙或锑；优选的锑掺杂浓度介于20％至80％之间。

在进一步的实施方案中，所述拓扑绝缘体的厚度介于1纳米至8纳米之间。

在进一步的实施方案中，所述底超导电极和顶超导电极材料分别为氮化铌,氮化钛,铅或铟超导材料；所述拓扑绝缘体体材料包括三硒化二铋或三碲化二铋。