现代信息技术的快速发展，离不开新材料和新器件的发现。超导电子器件利用极端的手段获得极端的性能，极大地推动了天文观测、量子信息、生物检测和军事国防等应用领域的发展。近日，吴培亨院士团队张蜡宝教授课题组提出了一种制备过渡金属硫属族化合物(TMDs)纳米线的普适策略，通过拓扑化学转化原理成功制备出高质量超导纳米线，其超导电流和回滞电流的比值超过20。这项工作为研制新型超导纳米线单光子探测器和相关超导器件提供了新选择。相关成果发表于2023年7月18日上线的Nature Communications上(https://doi.org/10.1038/s41467-023-39997-y)。
超导纳米线是超导纳米线单光子探测器(SNSPD)等超导电子器件的核心结构。在SNSPD中，超导纳米线有类似于“光敏电阻”的效果，对入射光子非常敏感，单个光子即可改变纳米线局部区域的电阻值。与此同时，由于超导纳米线具有较大的动态电感，阻止了纳米线上偏置电流的快速降低，为光子产生热点(hotspot)长大提供了条件。因此，超导纳米线特有的电学性能在实现高性能的单光子探测中发挥着关键作用。通常情况下，SNSPD器件的超导纳米线仅几纳米厚和几十纳米宽，对超导薄膜的性能和加工工艺都有极高的要求。目前，SNSPD器件的超导纳米线主要有如下两类：一类是单晶或多晶的超薄超导NbN薄膜等，另一类是非晶超薄超导薄膜，如MoSi，WSi等。
自二十世纪70年代首次发现2H-NbSe2发现具有超导性以来，基于TMDSC单层/几层的范德华异质结构也催生了奇特的超导现象和新的物理机制。这些新颖的物理现象也衍生出许多超导电子器件，如光电探测器、非互易天线和超电流二极管。纳米图案化制备是TMDSC从基础研究到实际应用发展的关键。然而，由于原子级厚度使得TMDSC薄膜具有较低的稳定性，在传统的“自上而下”的微纳工艺方案中，电子束光刻和反应离子刻蚀等工艺不可避免会破坏TMDSC薄膜性能，这已经成为制约发展TMDSC器件的瓶颈。因此，开发无损制备TMDSC超导纳米线是研制TMDSC超导电子器件的关键步骤和难题。
针对以上难题，张蜡宝教授课题组基于拓扑化学转化原理，开发了一种无损制备TMDSC纳米电路的普适策略(图1)。以NbSe2为例，首先利用磁控溅射预先在基底上沉积金属Nb膜，对其进行纳米线图案化处理后，置于高温反应转化为NbSe2纳米线。相比于传统的“自上而下”的微纳加工工艺方案而言，该方案避免了微纳加工工艺对NbSe2所产生的损伤，使得最终制备的超导NbSe2纳米线具有更加完善的晶格结构和更加优异的电学性能。
图1 传统的“自上而下”图案化策略与拓扑化学转化策略对比示意图
基于该方法，研究团队成功制备出了宽度约为200 nm的NbSe2纳米线(图2)。实验测量表明：该超导纳米线展现出超高的超流回滞比，其超导电流和回滞电流的比值超过20，且超导临界电流随温度的变化满足Ginzburg–Landau 模型。同时，不同温度下的超导临界电流值的变化证实了其在低温下存在热相位滑移(thermally active phased-slip)与多相位滑移态(multiple phase-slip)。此外，可以使用选定的TMD材料(NbS2，TiSe2或MoTe2)制备多功能超导纳米电路，例如周期性圆形/三角形空穴阵列和螺旋纳米线，验证了该方法的普适性。《Nature Communications》审稿人对本文给出了积极评价：“TMDSC超导纳米电路对下一代超导应用有发展前途(promising for next-generation superconducting applications)”，“本文展示了一种有效的自下而上的TMDSC纳米电路制造方法(an efficient bottom-up approach to fabricating TMDSC nanocircuits)”。
图2 本文制备的NbSe2纳米线器件的电学特性
港澳宝典资料大全超导电子学研究所汪潇涵博士生、王昊副研究员及马良博士生为本文共同第一作者，王昊副研究员、张蜡宝教授和吴培亨院士为本文共同通讯作者。超导电子学研究所陈健教授、康琳教授、贾小氢教授、赵清源教授、涂学凑高工、王华兵教授和金飚兵教授，港澳宝典资料大全现代工程与应用科学学院张利剑教授和清华大学物理学院陈曦教授对本工作进行了深入指导。
该研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、广东省重点领域研发计划、江苏省高校优势学科计划和江苏省电磁波先进调控技术重点实验室等资助。
