This thesis work focuses on the optimization of High Temperature Superconductor (HTS) YBCO nanoscaled devices, specifically Groove Dayem nanoBridges (GDB), for Superconducting QUantum Interferences Devices (SQUID) applications. YBCO-based weak links are a major focus of research in the field of superconducting sensors, such as ultra-sensitive magnetometers, due to the valuable improvements that using HTS materials would add, with higher working temperatures and critical magnetic fields, to the research and to the commercial aspect of these technologies. In this work, we aim specifically to fabricate and improve GDB-based SQUIDs, which were shown to have promising performances at the HTS working temperature, T= 77 K, although not yet comparable to the state-of-art for HTS-based SQUIDs. For this purpose, we have followed the fabrication steps for several samples and observed their electrical and transport behavior, with relation to the already known models, such as the Resistively Shunted Junction (RSJ). The optimization work divides in: in-situ modifications, introduced therefore during fabrication, and ex-situ techniques, conducted after fabrication of the devices. By in-situ modifications, we refer in this context to variations of parameters of the fabrication process and, specifically of the carbon mask and etching steps, which are the most relevant for the specific outcome of the GDBs. By ex-situ techniques, we refer to electromigration (EM), in particular DC and AC EM. Here, the results of this technique applied on weak links are still at their early stages, but show very promising improvements on the electrical properties of the SQUIDs. Voltage modulation depth increments of up to 8 times the original value were registered, with a strong dependence found on the shape of the constriction through which the current was sent. These findings suggest that EM would be instrumental to consistently improve a posteriori the magnetic flux sensitivity of nanodevices such as GDB-based SQUIDs.

Il lavoro presentato in questa tesi si concentra sull'ottimizzazione di nanostrutture fabbricate in YBCO, un superconduttore ad alta temperatura (HTS), e specificatamente su Groove Dayem nanobridges, con lo scopo di costruirci dispositivi superconduttori basati sull'interferenza quantistica (SQUIDs). Infatti, nanostrutture in YBCO sono al centro della ricerca nel campo di sensori superconduttori, come nel caso di magnetometri ultra-sensibili, per via dei vantaggi che implementare un materiale HTS porterebbe alla ricerca ed all'aspetto più commerciale di queste tecnologie. In questa tesi, lo scopo è stato di fabbricare e migliorare la sensibilità al flusso magnetico di SQUID basati su GDB nanostrutture. Di fatto, queste strutture hanno già dimostrato di dare buoni risultati per misurazioni alla temperatura di lavoro per HTS, 77 K, per quanto non ancora allo stato dell'arte. Per questo proposito abbiamo seguito la fabbricazione di svariati campioni ed valutato la loro risposta in proprietà elettriche e di trasporto, con il supporto dei modelli relativi a questi dispositivi già conosciuti, come il RSJ. Il lavoro di ottimizzazione in sé, invece, si è diviso in due parti principalmente: modificazioni in-situ, introdotti durante la fabbricazione, e tecniche ex-situ, perciò condotte sui dispositivi dopo la loro fabbricazione. Nello specifico, con modificazioni in-sito, ci si riferisce a parametri che abbiamo variato durante il processo che, nel nostro caso, riguarda soprattutto la maschera di carbone ed in processo di incisione nel YBCO, che abbiamo trovato essere i più rilevanti per i risultati su GDB. Per tecniche ex-situ invece ci si riferisce all'electromigrazione, che si divide in DC ed AC. Rispetto all'applicazione dell'elettromigrazione, la tecnica è ancora ai suoi stati iniziali, ma già mostra risultati molto incoraggianti. Incrementi nelle modulazioni di voltaggio di anche 6, 8 volte il valore iniziale sono stati trovati, con anche una forte correlazione con la forma che abbiamo dato alle costrizioni del dispositivo. La presenza e la positività di questi risultati suggerisce di conseguenza la possibilità di implementare sempre uno stadio di elettromigrazione a posteriori della fabbricazione, per incrementare la sensibilità dei dispositivi al loro massimo.

Optimization of YBCO nanostructures for SQUID applications

GARIBALDI, ALESSIA
2021/2022

Abstract

This thesis work focuses on the optimization of High Temperature Superconductor (HTS) YBCO nanoscaled devices, specifically Groove Dayem nanoBridges (GDB), for Superconducting QUantum Interferences Devices (SQUID) applications. YBCO-based weak links are a major focus of research in the field of superconducting sensors, such as ultra-sensitive magnetometers, due to the valuable improvements that using HTS materials would add, with higher working temperatures and critical magnetic fields, to the research and to the commercial aspect of these technologies. In this work, we aim specifically to fabricate and improve GDB-based SQUIDs, which were shown to have promising performances at the HTS working temperature, T= 77 K, although not yet comparable to the state-of-art for HTS-based SQUIDs. For this purpose, we have followed the fabrication steps for several samples and observed their electrical and transport behavior, with relation to the already known models, such as the Resistively Shunted Junction (RSJ). The optimization work divides in: in-situ modifications, introduced therefore during fabrication, and ex-situ techniques, conducted after fabrication of the devices. By in-situ modifications, we refer in this context to variations of parameters of the fabrication process and, specifically of the carbon mask and etching steps, which are the most relevant for the specific outcome of the GDBs. By ex-situ techniques, we refer to electromigration (EM), in particular DC and AC EM. Here, the results of this technique applied on weak links are still at their early stages, but show very promising improvements on the electrical properties of the SQUIDs. Voltage modulation depth increments of up to 8 times the original value were registered, with a strong dependence found on the shape of the constriction through which the current was sent. These findings suggest that EM would be instrumental to consistently improve a posteriori the magnetic flux sensitivity of nanodevices such as GDB-based SQUIDs.
Trabaldo, Edoardo
Bauch, Thilo
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2022
2021/2022
Il lavoro presentato in questa tesi si concentra sull'ottimizzazione di nanostrutture fabbricate in YBCO, un superconduttore ad alta temperatura (HTS), e specificatamente su Groove Dayem nanobridges, con lo scopo di costruirci dispositivi superconduttori basati sull'interferenza quantistica (SQUIDs). Infatti, nanostrutture in YBCO sono al centro della ricerca nel campo di sensori superconduttori, come nel caso di magnetometri ultra-sensibili, per via dei vantaggi che implementare un materiale HTS porterebbe alla ricerca ed all'aspetto più commerciale di queste tecnologie. In questa tesi, lo scopo è stato di fabbricare e migliorare la sensibilità al flusso magnetico di SQUID basati su GDB nanostrutture. Di fatto, queste strutture hanno già dimostrato di dare buoni risultati per misurazioni alla temperatura di lavoro per HTS, 77 K, per quanto non ancora allo stato dell'arte. Per questo proposito abbiamo seguito la fabbricazione di svariati campioni ed valutato la loro risposta in proprietà elettriche e di trasporto, con il supporto dei modelli relativi a questi dispositivi già conosciuti, come il RSJ. Il lavoro di ottimizzazione in sé, invece, si è diviso in due parti principalmente: modificazioni in-situ, introdotti durante la fabbricazione, e tecniche ex-situ, perciò condotte sui dispositivi dopo la loro fabbricazione. Nello specifico, con modificazioni in-sito, ci si riferisce a parametri che abbiamo variato durante il processo che, nel nostro caso, riguarda soprattutto la maschera di carbone ed in processo di incisione nel YBCO, che abbiamo trovato essere i più rilevanti per i risultati su GDB. Per tecniche ex-situ invece ci si riferisce all'electromigrazione, che si divide in DC ed AC. Rispetto all'applicazione dell'elettromigrazione, la tecnica è ancora ai suoi stati iniziali, ma già mostra risultati molto incoraggianti. Incrementi nelle modulazioni di voltaggio di anche 6, 8 volte il valore iniziale sono stati trovati, con anche una forte correlazione con la forma che abbiamo dato alle costrizioni del dispositivo. La presenza e la positività di questi risultati suggerisce di conseguenza la possibilità di implementare sempre uno stadio di elettromigrazione a posteriori della fabbricazione, per incrementare la sensibilità dei dispositivi al loro massimo.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/191680