Acoustic phonon tunneling in LiNbO3

Abstract

In this thesis, the patterning techniques of lithium-niobate-on-insulator silicon chips were investigated to create free-standing membrane platforms of LiNbO3 (lithium niobate) that are separated by a submicron gap for cryogenic acoustic phonon tunneling measurements. A three-layer mask of mr-PosEBR - Al2O3 - Cr was utilized in LiNbO3 dry etching to achieve good gap edge quality. An estimated Cr to LiNbO3 selectivity of 0.3 was achieved with an estimated LiNbO3 etch rate of 6 nm/min and edge wall verticality of 56°. HF vapor was used to etch SiO2 from underneath LiNbO3 and release membrane platforms from bulk, and evaporated Al2O3 was used to protect devices from unwanted corrosion. Vapor etch had a SiO2 etch rate of 0.5 µm/min, which is much higher than values found in literature. Ultimately, sample fabrication failed because the Al2O3 coating on top of membranes didn’t protect the measurement devices fabricated on top of LiNbO3 platforms from HF corrosion. Numerical calculations showed that the heat flux from the acoustic phonon tunneling is the strongest in the crystallographic X-direction, with a value of 5.2 µW/m2 for two semi-infinite plates separated by a 200 nm gap at 0.1 K. Heat fluxes in the Yand Z-directions were 5.0 µW/m2 and 2.1 µW/m2 , respectively, under the same conditions. A similar trend was observed with tunneled power transmittance in the Y- and Z-directions: the Y-direction had higher power transmittance across all incident mode-tunneled mode pairs compared to the Z-direction.

Tässä Pro Gradu -tutkielmassa tutkittiin piisirun eristeen päälle kasvatetun litiumniobaattikerroksen (LNOI, lithium-niobate-on-insulator) kuviointitekniikoita. Kuviontitekniikoilla oli tarkoitus valmistaa itseään kannattelevia alustoja LiNbO3- kalvoista alle mikrometrin levyisen raon erottamana, joilla voisi tehdä kryogenisiä mittauksia akustisten fononien tunneloinnista. LiNbO3 kuivaetsauksessa käytettiin kolmikerroksista mr-PosEBR - Al2O3 - Cr -kovaetsausmaskia, jolla saavutettiin hyvä raon reunan jälki. LiNbO3 etsauksen selektiivisyyden arvioitiin olevan 0,3 Cr suhde LiNbO3 reseptillä, minkä LiNbO3 etsausnopeudeksi arvoitiin 6 nm/min ja reunan seinän kaltevuudeksi 56°. LiNbO3 alustat vapautettiin SiO2-kontaktista etsaamallla SiO2 HF-höyryetsauksella. Höyrystettyä Al2O3 käytettiin suojaamaan sirulle rakennettuja mittalaiteita korroosiolta. HF-höyry etsasi SiO2 0,5 µm/min nopeudella, mikä on huomattavasti nopeampaa kuin mitä kirjallisuudesta löytyy. Loppujen lopuksi mitattavien näytteiden valmistus epäonnistui siihen, että suojaava Al2O3-kerros ei oikeasti suojannut LiNbO3-alustojen päälle rakennettuja mittalaitteita HF-korroosiolta. Numeeriset laskelmat osoittivat, että tunneloituvien fononien lämpövuo on voimakkaimmillaan kristallografisessa X-suuntaan. Lämpövuo oli 5,2 µW/m2 kahdelle puoliäärettömälle kappaleelle 200 nm raon erottamana 0,1 K lämpötilassa. Lämpövuot Y- ja Z-suunnissa olivat vastaavasti 5,0 µW/m2 ja 2,1 µW/m2 samoissa olosuhteissa. Samanlainen trendi havaittiin tunneloituvien fononien siirtämällä teholla Y- ja Z-suunnissa: tunneloituneet fononit siirsivät enemmän tulevien fononien tehoa Y-suunnassa Z-suuntaan verrattuna.