Vertical Nb Josephson junctions fabricated by direct metal deposition on both surfaces of freestanding graphene layers

Résumé Technique : Jonctions de Josephson Nb verticales via des membranes van der Waals autoportantes

Problématique
L'intégration de l'électronique supraconductrice, en particulier celle utilisant des supraconducteurs élémentaires à températures de transition plus élevées comme le niobium (Nb), fait face à des goulots d'étranglement importants lors de la fabrication. Les jonctions de Josephson conventionnelles reposent sur des barrières d'oxydes amorphes (par exemple, Al/AlOx/Al), qui sont incompatibles avec les supraconducteurs élémentaires sensibles à l'oxydation en raison d'une oxydation interfaciale incontrôlée et du désordre. Bien que les matériaux van der Waals (vdW) offrent des interfaces atomiquement plates et sans liaisons pendantes adaptées aux jonctions verticales, les méthodes de fabrication existantes reposent principalement sur l'empilement par transfert. Ces schémas de transfert sont incompatibles avec les flux de microfabrication standards basés sur la déposition et échouent souvent à protéger les interfaces enfouies de l'exposition à l'air ambiant, rendant difficile l'intégration de matériaux sensibles à l'oxydation comme le Nb. De plus, les approches par transfert limitent l'extensibilité et la capacité à définir la géométrie de la jonction de manière déterministe.

Méthodologie
Les auteurs introduisent une architecture de membrane vdW autoportante qui permet la fabrication de jonctions de Josephson verticales par déposition via un processus double face. Le cœur de cette méthodologie comprend :

1. Fabrication de la membrane : Des membranes de nitrure de silicium (SiNx) autoportantes avec des trous circulaires traversants définis par lithographie (1–3 µm de diamètre) sont fabriquées à l'aide de techniques de photolithographie et de gravure humide/sèche standard.
2. Couche vdW suspendue : Du graphène multicouche (5–6 couches) est exfolié mécaniquement et transféré sur la membrane de SiNx, en enjambant les trous traversants. Le graphène est recuit sous vide faible pour élimer les résidus polymères, garantissant une interface propre.
3. Déposition double face :
   • Côté inférieur : Des électrodes Nb/Au sont déposées par pulvérisation cathodique directement sur le graphène suspendu. Une couche de protection (capping) en Au in situ empêche l'oxydation.
   • Côté supérieur : Après le motif de la zone de l'électrode supérieure via la lithographie par faisceau d'électrons (EBL), du Nb/Au est déposé sur la surface supérieure. Le graphène suspendu agit comme une couche de protection conforme, protégeant l'électrode de Nb inférieure de l'exposition à l'air ambiant pendant le traitement du côté supérieur.
4. Définition de la jonction : La zone active de la jonction est définie strictement par l'ouverture de la membrane, créant une structure cylindrique Nb/graphène multicouche/Nb. L'excès de graphène est éliminé par gravure au plasma d'Argon pour isoler électriquement les jonctions individuelles.

Contributions Clés

• Déposition sans oxydation : Ce travail démontre une voie évolutive pour fabriquer des jonctions de Josephson verticales utilisant des supraconducteurs élémentaires sensibles à l'oxydation (Nb) sans exposition des interfaces enfouies à l'air ambiant. La couche de graphène suspendue fonctionne simultanément comme le lien faible et comme couche de protection.
• Géométrie définie par l'ouverture : Contrairement aux jonctions traditionnelles définies par le chevauchement des électrodes, la géométrie de la jonction est déterminée a priori par l'ouverture lithographiée de la membrane. Cela découple la densité et la géométrie de la jonction du motif des électrodes, permettant un traitement indépendant des surfaces supérieure et inférieure.
• Interface de haute qualité : La plateforme permet la formation d'interfaces supraconducteur/vdW prêtes, évitant le désordre associé aux barrières d'oxydes amorphes.

Résultats

• Couplage Josephson : Les dispositifs fabriqués présentent un couplage Josephson clair. Les mesures de résistance montrent une transition supraconductrice des électrodes de Nb vers ~8 K, suivie d'une chute brutale à une résistance nulle vers ~4,3 K, marquant l'apparition du couplage Josephson.
• Caractéristiques de transport : À 2 K, les disposités affichent une branche de supercourant sans dissipation avec un courant critique ($I_c$) d'environ 110 µA et une résistance à l'état normal ($R_N$) de ~3,6 Ω. Le produit $eI_cR_N$ est de ~0,4 meV, avec un rapport $eI_cR_N/\Delta_0 \approx 0,46$.
• Régime de jonction : La dépendance en température du courant critique, $I_c(T)$, s'aligne sur un comportement de jonction courte, se situant entre les limites balistique (Kulik-Omelyanchuk KO-2) et diffusive (KO-1). Le paramètre de Stewart-McCumber ($\beta_c \approx 0,169$) indique un comportement de jonction suramortie, probablement dû à un shunt efficace par les couches de graphène normales.
• Interférence magnétique : Les dispositifs présentent des motifs d'interférence de Fraunhofer bien définis, régis par la géométrie de l'ouverture circulaire. Les données s'ajustent nettement mieux à un modèle d'ouverture circulaire (fonction de Bessel) qu'à un modèle rectangulaire, confirmant la géométrie cylindrique définie par la membrane.
• Structure sous le gap : Les mesures de conductance différentielle révèlent des caractéristiques sous le gap cohérentes avec des réflexions d'Andreev multiples (MAR), spécifiquement des pics à $eV \approx 2\Delta_0/n$ pour $n=1$ et $n=3$. L'absence du pic $n=2$ est attribuée à la diffusion inélastique, au élargissement induit par le désordre ou à une potentielle asymétrie dans les interfaces supraconductrices.
• Analyse d'interface : L'analyse structurelle d'un dispositif non fonctionnel a révélé que la contamination interfaciale (spécifiquement les résidus de carbone et d'oxygène provenant de la lithographie) peut supprimer le rendement des jonctions. Cela souligne l'importance critique de la propreté de l'interface, particulièrement pour la déposition de l'électrode supérieure.

Signification
L'article affirme établir une plateforme générale, exempte de barrière d'oxyde, pour les hétérostructures supraconductrices verticales. En surmontant les limitations de l'assemblage par transfert et des barrières d'oxydes amorphes, cette architecture permet l'intégration de supraconducteurs élémentaires à haute $T_c$ avec des matériaux vdW. Les auteurs avancent que cette approche offre une voie évolutive vers des réseaux denses et uniformes de jonctions de Josephson verticales, où la zone et la densité de la jonction sont définies de manière déterministe par l'ouverture de la membrane plutôt que par l'alignement post-fabrication. Cette plateforme est présentée comme extensible à d'autres matériaux vdW (par exemple, hBN, TMD) et capable de supporter des jonctions de type SIS (tunnel) et SNS (proximité), ouvant ainsi de nouvelles opportunités pour les dispositifs et circuits supraconducteurs intégrés verticalement au-delà des architectures conventionnelles basées sur les oxydes.