Herstellung und Transfer von Nanometer dünnen YBCO Membranen

Abstract

Die Raster-SQUID-Mikroskopie ist eine leistungsstarke Technik zur Abbildung von Magnetfeldern und Dissipationsprozessen. Die Entwicklung des SQUID-on-Tip (SOT) führte zu einem Durchbruch in der räumlichen Auflösung und Flussempfindlichkeit der Raster-SQUID-Mikroskopie. Die Herstellung des SOTs erfolgt durch das Aufdampfen metallischer Supraleiter wie Pb oder Al. Dadurch ist der Einsatzbereich des SOTs auf Temperaturen < 10 K und magnetische Felder < 1 T beschränkt. Die Verwendung des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7 (YBCO) würde die Raster-SQUID-Mikroskopie im Tesla-Bereich und bei Temperaturen von bis zu etwa 80 K ermöglichen. YBCO besitzt eine komplexe Kristallstruktur und eine geringe Kohärenzlänge. Das führt zu einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Defekten auf atomarer Ebene. Qualitativ hochwertige YBCO-Filme können deswegen nur durch das epitaktische Wachstum auf gitterangepassten Substraten erzielt werden. Im Rahmen des EU-Projekts FIBsuperProbes wird ein zur SOT-Methode alternativer Ansatz zur Realisierung der Raster-SQUID-Mikroskopie mit einer hohen räumlichen Auflösung entwickelt. Dabei werden supraleitende Schichten auf Si-Wafer aufgebracht, welche in maßgefertigte AFM-Cantilever prozessiert werden. Die Fabrikation der nanoSQUIDs erfolgt im Anschluss mittels fokussierter Ionenstrahlen. Die Herausforderung liegt in der Integration von YBCO-Schichten auf den Si-Wafern. Die Materialien Sr3Al2O6 und Sr2CaAl2O6 sind gitterangepasst zu SrTiO3. SrTiO3 ist ein Standard- Substrat zur Herstellung epitaktisch gewachsener YBCO-Schichten. Sr3Al2O6 und Sr2CaAl2O6 sind wasserlöslich und können daher als Opferschicht für die Herstellung freitragender einkristalliner Perowskit-Schichten, sowie YBCO-Schichten verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prozess für die Herstellung und den Transfer von Nanometer dünnen YBCO Membranen auf Si-Wafer entwickelt und demonstriert. Dafür wurden mit gepulster Laserablation YBCO-Heterostrukturen epitaktisch auf einkristallinen (001) SrTiO3-Substraten aufgewachsen. Durch das Ätzen der Opferschichten wurden die YBCO-Heterostrukturen von ihrem Substrat abgelöst und auf einen Si- Wafer transferiert. Das Wegfallen des SrTiO3-Substrats führt zu einer komplexen Interaktion innerhalb der freitragenden YBCO-Heterostruktur und zur möglichen Schädigung der transferierten YBCO-Schichten. Durch die Optimierung der YBCO-Heterostruktur konnte erfolgreich die Realisierung von supraleitendem YBCO auf einem Si-Wafer demonstriert werden.