Tunnel junction thermometry on three-dimensional phononic crystals

Abstract

Tässä työssä on tutkittu kolmiulotteisia periodisia nanorakenteita, tarkemmin sanottuna fononikiteitä. Fononikiteet voivat muokata kiteessä liikkuvia värähtelyitä, eli ääntä ja lämpöä, samaan tapaan kuin fotonikiteet vaikuttavat valoon. Riippuen kiteen rakenteesta ja materiaaleista, jotkin taajuudet voivat kulkeutua paremmin tai huonommin, tai jotkin niistä voivat olla täysin kiellettyjä kiteen sisällä. Jälkimmäistä tapausta kutsutaan energia-aukoksi, sillä fononeilla ei voi olla kyseisiä energioita. Fononikiteitä voidaan soveltaa esimerkiksi hyvän tai huonon lämmönjohtavuuden saavuttamiseksi, tiettyjen värähtelytaajuuksien vahvistamiseksi tai poistamiseksi, tai värähtelyjen ohjaamiseksi.

Matalissa lämpötiloissa lämmönjohtumisen kontrolloinnin tärkeys korostuu ja termisten fononien taajuusalue on pienempi verrattuna korkeampiin lämpötiloihin, joten tässä työssä ollaankin keskitytty matalissa lämpötiloissa havaittaviin efekteihin. Tämä asettaa näytteen periodin nano-mikrometrialueelle ja lämmönjohtumiseen käytettävän mittasysteemin tulisi olla mataliin lämpötiloihin soveltuva. Mittauksissa nanovalmistetut tunneliliitokset toimisivat lokaalina lämmittimenä ja lämpömittarina, joita voitaisiin käyttää kiteen ominaisuuksien tutkimiseen. Tunneliliitoksien herkkä lämpötilakäyttäytyminen on hyvin tunnettu ilmiö ja niitä ollaan käytetty paljon esimerkiksi kalvojen tutkimuksessa. Uutena haasteena kuitenkin on, miten kyseisten herkkien rakenteiden valmistaminen luonnistuu kolmiulotteisen pinnan päälle.

Kaksiulotteisten fononikiteiden osalta on jo tehty huomattavia edistysaskelia, joten tässä työssä on keskitytty vain kolmiulotteisten kiteiden valmistamiseen valitulla menetelmällä. Valmistusprosessissa on yhdistetty useita aiemmin tutkittuja menetelmiä. Ensin kiteelle tehtiin negatiivisesta fotoresististä sen sijaintia ja kokoa rajoittava rakenne UV-litografian avulla puhdistetun piipalan päälle. Itse kide valmistettiin itsejärjestyvyyttä hyödyntäen kolloidikiteytyksellä polystyreenipalloista, joiden halkaisija oli satojen nanometrien luokkaa. Kiteytysprosessissa havaittiin, että polystyreenipallot hakeutuvat mieluiten niille varattuihin kohtiin ja resistin pinta jää useimmiten hyvinkin puhtaaksi, mikä mahdollistaa metalloinnin tekemisen näytteen päälle. Metallisten liitosten tekemistä varten näytteen päälle levitettiin uusi, myöhemmin poistettava resistikerros, mihin valotettiin laser-litografialla haluttu kuvio. Kuvioidun resistin ja kahden kulman höyrystyksen avulla pyrittiin valmistamaan pari SINIS tunneliliitoksia. Liitoksessa alumiini toimi suprajohteena (S) ja kupari normaalimetallina (N), ja höyrystyksien välissä alumiinin pintaan muodostettu alumiinioksidi toimi eristeenä (I). Höyrystyksistä havaittiin, että johtimet onnistuivat suoraan kiteen päälle, mikäli ne olivat tarpeeksi leveitä ja jos metallia höyrystettiin tarpeeksi paksulti.

Matalissa lämpötiloissa suoritetut mittaukset vahvistivat valmistetut metalloinnit tunneliliitoksiksi niiden tunnusomaisten virta-jännite-käyrien perusteella. Liitokset olisivat siis soveltuvia käytettäviksi lämpötilan mittaamiseen. Ensimmäisissä mittauksissa havaittiin kuitenkin myös poikkeuksellista käyttäytymistä, minkä lähteitä ei valitettavasti vielä ymmärretä. Efektiä ei kuitenkaan saatu toistettua toisissa mittauksissa, mitkä puolestaan noudattivat teoriaa huomattavan hyvin koko jännitealueella. Lämmönjohtumismittauksia ei valitettavasti ehditty vielä tehdä, mutta kaikki välineet sitä varten on nyt toteutettavissa. Myös mahdollisuuksia referenssinäytteen valmistamiseksi on tutkittu.

In this work three-dimensional periodic nanostructures, phononic crystals to be more exact, have been studied. Phononic crystals are analogous to photonic crystals. They can modify lattice vibrations such as sound and heat in a similar manner like photonic crystals affect light. Depending on the structure and the materials some frequencies can travel faster or slower, and some frequency ranges can be completely blocked. Blocked frequency ranges are called energy gaps as vibrations are not allowed to have those energies. Phononic crystals have a wide range in applications such as thermal insulation or contact, or selecting or guiding specific frequencies.

At low temperatures, the importance of thermal management is even more essential compared to room temperature. In addition, the frequency range of thermal phonons is modified. Because of this, this work focused on effects that are present at low temperatures. This in turn restricts the phononic crystal sample period close to nano- and micrometer range, and in addition, the measurement system for thermal conduction should be suitable for low temperatures. As planned for the measurements, nanofabricated tunnel junctions could serve as a local thermometer and a heater. Tunnel junctions are highly sensitive to temperature and their theory is well known and thermometry applications are widely used. A new challenge in this work is how to fabricate such a delicate system on top of a rough crystal surface.

There has already been notable breakthroughs with two-dimensional phononic crystals. In turn, in this project the scope is three-dimensional phononic crystals with selected fabrication techniques. The techniques are a combination of multiple previously studied methods. First, a negative photoresist and UV-lithography are used to make a template structure which in turn is used to control the crystal size and position. The crystal itself was made by utilizing colloidal crystallization from sub-micron sized polystyrene spheres. It was noticed that crystals formed mostly in the patterned sites leaving the photoresist surface clean. This makes the following metal deposition steps easier, as misplaced spheres could hinder the process. For the tunnel junction fabrication, a new positive photoresist layer was deposited and then patterned with laser lithography. SINIS tunnel junctions were evaporated by using two-angle deposition. In the junction aluminum served as the superconductor (S), copper as the normal metal (N), and aluminum oxide between them as the insulator (I). The junction deposition was found to be successful even directly on top of the crystals when using wide and thick enough wiring.

Measurements that were carried out at low temperatures confirmed that the tunnel junction fabrication was successful, by the study of the characteristic current-voltage curves. The junctions would thus be suitable to be used as thermometers. In the first measurement, there was some nonideal behavior present. However, such effects were not repeated, and unfortunately, their cause is still not fully known. Nevertheless, the second measurement was in good agreement with theory in the whole voltage range. Thermal conduction measurements were unfortunately not yet carried out, but the advancements in this thesis should make them possible in the near future. Also, possibilities for a control sample have been investigated.