Point-Contact Spectroscopy of Thin Superconducting NbN Films

Abstract

Для застосування в електроніці надпровідні плівки нітриду ніобію є ідеальними кандидатами серед матеріалів з низькими Тс через порівняно високу критичну температуру, великі критичні магнітні поля та відносну легкість виготовлення. Відомо, що надпровідні властивості NbN сильно залежать від утворення потрібної кристалографічної фази. Дані тунельної спектроскопії плівок NbN добре узгоджуються з існуючими теоретичними уявленнями, тоді як контактні методи дають значно нижчі значення параметра надпровідного порядку. У цій роботі ми представляємо відповідні результати для репрезентативної плівки NbN з Тс біля 14 К, отримані за допомогою точкового контакту, створеного шляхом приведення гострого металевого вістря зі срібла до контакту з поверхнню зразка. Ми спостерігали фундаментальну різницю між значеннями щілини, отриманими з вимірювань диференціальної провідності, і тими, що випливають із стандартної теорії БКЩ. Незважаючи на майже ідеальний контакт нормального вістря з поверхнею плівки, енергетична щілина була майже вдвічі меншою, ніж теоретично очікувалося. У той же час вона не зникали при помітно нижчих температурах порівняно з об’ємною щілиною плівки NbN, а продовжувала повільно зменшуватися до критичної температури об’єму. Це пояснюється значною деформацією приповерхневого шару, що призводить до локального пригнічення надпровідних параметрів. Така поведінка є типовим прикладом надпровідного ефекту близькості, коли температурна залежність меншої щілини суттєво відрізняється від передбачення БКШ, але залишається кінцевою до критичної температури для більшої щілини, яка є однаковою для двох контактуючих масивів з параметрами надпровідності, які суттєво відрізняються один від одного. Цей висновок є важливим для практичних застосувань, зокрема для створення інтеграційних схем на основі надпровідних тонких шарів NbN.

Superconducting niobium nitride films are ideal candidates for electronics applications among low-Tc materials due to comparatively high critical temperature, large critical magnetic fields and relative ease of fabrication. The superconducting properties of NbN are known to be strongly dependent on the formation of a correct crystallographic phase. The tunneling spectroscopy data for NbN films are in good agreement with existing theoretical concepts, while contact methods provide significantly lower values of the superconducting order parameter. In this paper, we present corresponding results for a representative NbN film with Tc about 14 K, obtained using a point contact made by bringing a sharp metallic tip of silver in touch with the sample surface. We have observed fundamental difference between the gap values extracted from the differential conductance measurements and those following from the standard BCS theory. Despite the almost perfect contact of the normal tip with the film surface, the energy gap was nearly two times smaller than theoretically expected. At the same time, the gap values did not vanish at appreciably lower temperatures compared to the bulk of the NbN film, but rather continued to decrease slowly up to the bulk critical temperature. This finding is explained by significant deformation of the near-surface layer leading to the local suppression of superconducting parameters. Such behavior is a typical example of the superconducting proximity effect when the temperature dependence of the smaller gap strongly deviates from the BCS prediction but remains however finite up to the critical temperature of the larger gap, which is the same for two contacting spaces with superconducting parameters that differ significantly from each other. This conclusion is important for practical applications, in particular, for creating integration circuits based on superconducting NbN thin layers.