[发明专利]一种多孔超导氮化铌纳米线及其制备方法

说明书

本发明涉及氮化铌纳米线制备技术领域，具体涉及一种多孔超导氮化铌纳米线及其制备方法，采用优化的斜靶射频磁控溅射镀膜技术在衬底表面沉积了氮化铌薄膜；采用电子束曝光在电子束光刻层上影印氮化铌纳米线图形，采用反应离子刻蚀将图形转移到氮化铌薄膜上，得到超导氮化铌纳米线；采用反应离子刻蚀技术刻蚀转移了多孔阳极氧化铝AAO模板的氮化铌纳米线，构建超导多孔氮化铌纳米线。多孔超导氮化铌纳米线减小了纳米线的表面积，在相同有效表面积下纳米线宽度增加，降低纳米线的制备难度，同时更小的有效纳米线宽度可以使探测波长更长，得到易制备高性能的纳米线结构，可以将其用于超导纳米线单光子探测器中，为SNSPD的制备提供新思路及扩大应用范围。

技术领域

本发明涉及氮化铌纳米线制备技术领域，具体涉及一种多孔超导氮化铌纳米线及其制备方法。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(SNSPD：Superconducting Nanowire Single PhotonDetection/Detector)是基于超导纳米线在吸收光子后局域有阻区的产生和消失的过程来实现单光子探测的。研究结果显示与传统半导体单光子探测器相比，SNSPD具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、死时间短、宽谱响应以及自由运行等优势。基于SNSPD的卓越性能已经被应用于量子通信、深空通信、集成电路检测、激光测距等众多领域。

NbN材料是VB族金属元素Nb的氮化物，它是最早也是最成熟的用于制备超导纳米单光子探测器的材料之一。它相对其它超导材料而言，转变温度较高、超导能隙较大，热循环性能好，化学稳定性强，并且易于制造，是制作超导SIS结、HEB和SNSPD等超导器件的常用材料。

不断增长的应用需求要求SNSPD进一步提高其性能，需要器件具有更高探测效率、更大探测面积、更大阵列规模和光子数分辨功能等。具有超大长宽比的超导纳米线条是SNSPD器件制备的核心组成部分，其特性直接影响了器件的探测效率、暗计数、时间抖动等关键参数，也是影响器件一致性和成品率的重要因素。纳米线的宽度的增加可以提高分辨率和探测效率，同时也会带来一些负面影响，如何减小相关影响成为一个问题。

目前对纳米线的研究大多是研究纳米线形状和缺陷等对器件的影响，而关于减小纳米线宽度提升探测波长范围，带来的纳米线薄膜本身刻蚀工艺性难度，讨论的较少。而且纳米线宽度小的SNSPD也有着制备难度大，刻线工艺对设备精度要求高等问题，因此迫切地需要对纳米线制备工艺的改进。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本申请提出了一种多孔超导氮化铌纳米线及其制备方法，通过采用磁控溅射在衬底上制备氮化铌薄膜，在超导薄膜上制备纳米线，用多孔AAO模板刻蚀氮化铌纳米线，构建纳米多孔阵列结构，制备出具有多孔结构的超导氮化铌纳米线。

为了实现上述目的，本发明提供一种多孔超导氮化铌纳米线，包括单晶衬底，以及位于单晶衬底上的多孔氮化铌纳米线，所述多孔超导氮化铌纳米线的厚度为10～20nm，宽度为130～200nm，纳米线的侧壁与表面相垂直。

其中，纳米线多孔结构孔间距和孔径在纳米级别可调。

一种多孔超导氮化铌纳米线的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)采用镀膜技术在衬底表面沉积氮化铌薄膜；

(2)通过光刻在薄膜上画出电极图案，采用电子束蒸发法制备一层金属电极；

(3)在氮化铌薄膜表面旋涂电子束抗刻蚀剂，形成电子束光刻层；

(4)采用电子束曝光EBL技术在电子束光刻层上扫描影印氮化铌纳米线图形；

(5)采用反应离子刻蚀RIE技术将纳米线图形刻蚀到氮化铌薄膜上，得到超导氮化铌纳米线；

(6)将多孔阳极氧化铝AAO模板转移到氮化铌纳米线上；