Nanofabrication of metallic and superconducting tungsten-carbon nanostructures using focused ion beams

Abstract

La utilización de haces iónicos focalizados (FIBs) para inducir la deposición de distintos materiales es una herramienta altamente versátil para el diseño y fabricación de nnaoestructuras funcionales. En particular, al escanear un haz focalizado de iones de Ga+ o de He+ sobre la superficie de una muestra mientras se inyecta un material precursor en estado gaseoso sobre su superficie, se inducen reacciones de descomposición de éste, que resultan en su deposición parcial en dicha superficie siguiendo el patrón trazado por el FIB. Esta técnica recibe el nombre de deposición inducida por haz iónico focalizado (FIBID). La deposición por Ga+ FIBID del hexacarbonilo de tungsteno da como resultado un material basado en tungsteno y carbono que presenta comportamiento superconductor por debajo de 4.5 K. Junto con la flexiblidad en diseño y crecimiento de estructuras que proporciona el crecimiento por FIBID, este material representa un escenario altamente prometedor para la investigación de distintos fenómenos relacionados con la superconductividad. En esta tesis se muestra de forma experimental que nanohilos de W-C crecidos por Ga+ FIBID pueden albergar transporte no local de vórtices superconductores de largo alcance. Al inyectar una corriente de polarización transversalmente en un extremo del nanohilo cuando éste se encuentra en estado superconductor y bajo la acción de un campo magnético, se ejerce una fuerza de Lorentz sobre los vórtices superconductores allí presentes, que a su vez empujan a los vórtices vecinos y finalmente alcanzan el extremo opuesto del nanohilo. De esta forma, se miden resistencias eléctricas finitas en áreas del nanohilo donde la corriente de polarización no fluye, causadas únicamente por el transporte de vórtices a lo largo del canal superconductor. En relación a este material, se investiga también la obtención de imágenes de la red de vórtices mediante microscopía de efecto túnel, y se investiga la modulación de su corriente crítica mediante la aplicación de un campo eléctrico intenso. Este último fenómeno, similar al efecto de campo basado en la aplicación de un voltaje de puerta, común en el diseño de transistores, se observa experimentalmente en este material por primera vez. La velocidad del proceso de crecimiento por FIBID aumenta drásticamente cuando el proceso se lleva a cabo por debajo de la temperatura de condensación del material precursor. Éste se agrega formando una capa condensada de espesor muy superior a la obtenida al trabajar en fase gaseosa a temperatura ambiente, obteniéndose de esta forma una cantidad de material precursor disponible para su descomposición mucho mayor. Ello permite aumentar el ritmo de crecimiento en un factor de 600. Esta técnica, denominada Cryo-FIBID, da como resultado un material metálico que puede ser uitlizado como constituente de contactos auxiliares para la realización de medidas eléctricas en nanodispositivos. Por último, la resolución lateral en el trazado de nanoestructuras por FIBID puede mejorarse si se utilizan iones de He+ en vez de iones de Ga+. En esta tesis se muestran trabajos relacionados con esta técnica, incluyendo la deposición de estructuras en el plano trazadas con resolución de hastas 10 nm, y la investigación de sus propiedades superconductoras, detectadas por debajo de 2.5-4 K. Se muestra también la capacidad de estos nanohilos para sostener transporte no local de vórtices de largo alcance.