Local tuning of electronic transport in YBCO thin films via phase nanoengineering

High temperature cuprate superconductors are promising candidates for the future development of dissipation free electronics. However, a complete picture of the physical mechanism under their phenomenology is still missing. Besides, the exploitation of their transport properties in real devices is further limited by the challenges of traditional lithographic methods in patterning these ceramic compounds, which can possibly lead to material degradation with harsh chemicals and charged particle bombardment. In this context, this work deals with the development and optimization of a new method for patterning high temperature superconducting nanostructures, phase nanoengineering, which employs a localised energy source applied on the surface of the material in order to change its properties. Direct Laser Writing and thermal Scanning Probe Lithography (tSPL) were employed to induce tunable local modification of the electronic properties of YBCO thin films of different thicknesses. The change of the electronic properties upon laser patterning with different conditions, e.g. varying the exposure dose or atmosphere composition, was measured by means of Conductive Atomic Force Microscopy (CAFM) at ambient temperature. The physical mechanism underlying the effect of patterning is the thermally activated oxygen migration in the written areas. In fact, the critical temperature under which we can see the superconducting state in YBCO directly depends on the oxygen content, which also determines the electric carrier density and charge properties at ambient conditions. The CAFM measurements reveal an enhanced surface electric conductivity consistent with an oxygen enrichment of the surface in patterned regions. Low temperature transport measurements on patterned YBCO Hall bars show a lower critical temperature in the patterned devices, compatible with a migration of oxygens ions from the bulk to the surface. Finally, it was studied the minimum feature size achievable via tSPL on a ultrathin YBCO film. Optimum patterning parameters led to a nanowire having a FWHM of 12 nm. By demonstrating the possibility of crafting the electronic properties of YBCO thin films at the nanoscale, this work paves the way to the understanding of new superconducting transport phenomena and their harnessing in future superconducting devices.

I cuprati superconduttori ad alta temperatura sono candidati promettenti per il futuro sviluppo di elettronica priva di fenomeni dissipativi. Tuttavia, non è ancora stato possibile trovare una spiegazione completa della loro fenomenologia. Inoltre, l'utilizzo delle loro proprietà di trasporto in dispositivi reali è limitato dalla difficoltà nell'applicare metodi litografici tradizionali a questi composti ceramici, a causa del deterioramento del materiale dovuto a sostanze chimiche aggressive o agli effetti di interazione con particelle cariche. In questo contesto, questo lavoro di tesi è dedicato allo sviluppo e ottimizzazione di un nuovo metodo per creare nanostrutture in superconduttori ad alta temperatura critica, chiamato "nanoingegnerizzazione della fase", che sfrutta l'applicazione di una fonte localizzata di energia sulla superficie per cambiare le proprietà del materiale. In particolare, le tecniche di scrittura laser diretta e litografia a scansione di sonda termica (tSPL) sono state utilizzate per indurre modifiche locali nelle proprietà elettroniche di film sottili di YBCO di spessori differenti. Attraverso la microscopia conduttiva a forza atomica (CAFM) è stato misurato a temperatura ambiente il cambiamento nelle proprietà di conduzione a seguito della scrittura laser in diverse condizioni, per esempio cambiando l'intensità di esposizione e la composizione dell'atmosfera. Il meccanismo fisico su cui si basa questa tecnica applicata a questo materiale è l'attivazione termica della migrazione degli ossigeni nelle aree scritte. Infatti, la temperatura critica sotto la quale compare la superconduttività nell'YBCO dipende dalla contenuto di ossigeno, che determina anche la densità dei portatori di carica e le proprità elettroniche a temperatura ambiente. Le misure CAFM mostrano un amuento della conduttività superficiale nelle zone modificate, coerente con un arricchimento di ossigeno della superficie. Dalle misure di trasporto a bassa temperatura su Hall bar in YBCO è emersa una temperatura critica inferiore per i dispositivi scritti, compatibile con la migrazione degli ossigeni dal volume alla superficie e quindi una deossigenazione di quasi tutto il volume del film. Infine, è stato svolto uno studio della minima dimensione critica raggiungibile con la tSPL su film di YBCO ultrasottili. Parametri ottimali di scrittura hanno portato alla creazione di un nanofilo con FWHM di 12 nm. Dimostrando la possibilità di controllare le proprietà elettroniche dell'YBCO alla nanoscala, questo lavoro apre le porte alla comprensione di nuovi fenomeni di trasporto superconduttivi e al loro utilizzo nello sviluppo futuro di nanodispositivi superconduttivi.