[发明专利]利用Al/α-Al2

说明书

本发明属于超导集成电路技术领域，涉及利用Al/α‑Al₂O₃界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法。包括：搭建不同氧化层界面终端方式以及不同Al/Al₂O₃界面堆叠顺序的约瑟夫森结器件模型；计算规则的三维器件模型的电输运性质的相关参数；通过对得到的三维器件模型的电输运性质的相关参数进行分析，明确Al/Al₂O₃界面堆叠顺序对氧化铝约瑟夫森结性能影响；对氧化铝约瑟夫森结电输运性质进行调控。结果表明，在Al/Al₂O₃/Al体系中Al₂O₃的界面终端方式相同的情况下，铝和氧化铝堆叠顺序的变化对体系的电子输运性能有很大影响。

技术领域

本发明属于超导集成电路技术领域，特别涉及一种利用Al/α-Al₂O₃界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法。

背景技术

约瑟夫森结是构建基于超导电路的量子计算机的关键部件，通常使用Al/Al₂O₃/Al“三明治”结构的氧化铝隧道结作为约瑟夫森结来引入所需的非线性。其中氧化层部分必须具备超薄的结构以促进超导体之间的有效量子传输。众所周知，铝和氧化铝界面附近的原子结构在决定氧化铝隧道结的电子输运特性方面起着至关重要的作用。然而，由于界面结构和界面位置的复杂性和特殊性，很难实现对器件原子结构的直接实验研究，以获得界面微观结构与结性能之间的关系。近年来，非平衡格林函数(NEGF)方法已被广泛应用于研究各种纳米器件的电子性质。然而，目前还没有从原子尺度出发对三维Al/Al₂O₃/Al器件进行过关于Al/Al₂O₃界面堆叠顺序对电子隧穿影响的单一理论研究。理解铝/氧化铝界面的几何结构和体系在原子层面的输运特性之间的关系对实现更好地控制和改善约瑟夫森结器件的性能大有裨益。因此，对Al/Al₂O₃界面进行细致的原子结构分析至关重要。

发明内容

本发明提出了一种利用Al/Al₂O₃界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法。本发明通过创建原子结构的三维Al/Al₂O₃/Al器件模型，并采用量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法计算不同模型的输运特性，探究在氧化铝界面终端方式不同的情况下三种Al/Al₂O₃堆叠顺序对氧化铝约瑟夫森结输运性质的影响。为现有约瑟夫森结制备工艺的改进提供方向，从而提升约瑟夫森结及超导集成电路的性能。

本发明采用以下技术方案：

利用Al/α-Al₂O₃界面堆叠顺序调控氧化铝约瑟夫森结电输运性质的方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建合理的三维Al/α-Al₂O₃/Al约瑟夫森结器件模型。如：搭建不同氧化层界面终端方式以及不同Al/Al₂O₃界面堆叠顺序的约瑟夫森结器件模型。具体步骤如下：

(1)选择搭建晶体模型的原胞，并选择不同的氧化铝的界面终端方式，得到晶胞。

具体选择界面匹配较为稳定的原胞Al(111)和Al₂O₃(0001)搭建Al/α-Al₂O₃/Al晶体模型。采用铝的晶格常数为，氧化铝的晶格常数为以使二者相匹配具有较低的失配率。

对原胞进行切面、切片等操作得到铝和氧化铝的晶胞结构，并确保氧化铝两端具有氧终端、铝终端和双铝终端三种不同的界面终端方式。