圖1太赫茲近場(chǎng)納米波譜表征量子元件的表面等離極化鈮酸鋰與參雜金屬層
1.導(dǎo)讀
65年前，世界上第一塊集成電路在第三次工業(yè)革命中問(wèn)世，促進(jìn)人類(lèi)文明朝著信息化、數(shù)字化的星辰大海不斷進(jìn)發(fā)。隨后半個(gè)世紀(jì)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每18個(gè)月便會(huì)降低一倍，驅(qū)動(dòng)了一系列科技革新光譜表征，催生了個(gè)人計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)等一系列提升生產(chǎn)效率、變革生活形式的電子產(chǎn)品。但是，隨著集成電路期間規(guī)格越來(lái)越接近數(shù)學(xué)極限，小到單個(gè)原子，我們不禁會(huì)問(wèn)，摩爾定理的終點(diǎn)在哪兒？在后摩爾定理時(shí)代，怎么讓芯片更快，更小，更強(qiáng)？當(dāng)精典計(jì)算機(jī)芯片小至極限，快至盡頭，革命路在何方？在這把達(dá)摩克利斯之劍下，量子估算閃耀登場(chǎng)。
為了完善趕超精典計(jì)算機(jī)的量子霸權(quán)，包括超導(dǎo)量子比特在內(nèi)的諸多成熟量子估算平臺(tái)都須要制備出高保真度、長(zhǎng)退相干時(shí)間、低相干耗損的量子比特。對(duì)于超導(dǎo)量子比特，在制備過(guò)程中引入的材料耗損是限制其量子霸權(quán)潛能的困局。實(shí)際上光譜表征，主要的退相干機(jī)制主要集中于元件界面上的電介質(zhì)，非常是基底-空氣和金屬-空氣界面,因而限制了超導(dǎo)元件在高溫下的性能。為此，怎樣在納米尺度下對(duì)量子關(guān)聯(lián)界面進(jìn)行非破壞性定量確診，定量評(píng)估元件表面介電性質(zhì)，減少制造過(guò)程中引入的耗損成為了亟待解決的問(wèn)題。
針對(duì)這種問(wèn)題，近期格拉斯哥學(xué)院電氣工程系D.Raki?(亞歷山大·D·拉基奇)院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合化學(xué)系(阿爾卡季·費(fèi)多羅夫)副院長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)在發(fā)表最新文章，結(jié)合太赫茲(THz)近場(chǎng)納米波譜表征在量子元件界面觀測(cè)到的表面等離加劇鈮酸鋰，提出一套散射式掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(s-SNOM)提取納米尺度下多層元件結(jié)構(gòu)復(fù)介電常數(shù)與長(zhǎng)度的矢量校準(zhǔn)方式，用于納米尺度下元件介電環(huán)境的非破壞性定量表征，并進(jìn)一步指導(dǎo)量子元件的實(shí)際制備工藝。
該研究成果（1）否認(rèn)了硅基超導(dǎo)量子元件中存在納米尺度的太赫茲等離極化鈮酸鋰，（2）演示了太赫茲等離極化鈮酸鋰可以用于定量確診量子元件的制備過(guò)程中引入的表面參雜，為量子元件制備工藝提供了設(shè)計(jì)方式的指導(dǎo)，（3）提出并演示了不須要先驗(yàn)假定未知樣品遵循特定方式的介電常數(shù)模型(如洛倫茲德魯?shù)履Ｐ汀㈦p德拜模型)，普適于定量表征納米尺度下其他未知樣品（多層納米介電結(jié)構(gòu)）的太赫茲近場(chǎng)波譜定量提取方式。這為實(shí)際應(yīng)用THzs-SNOM定量剖析納米尺度下的復(fù)雜樣品提供了方式論基礎(chǔ)。
2.研究背景
近些年來(lái)，對(duì)納米級(jí)表面等離極化鈮酸鋰的研究已成為人們特別感興趣的話題。那些研究?jī)A向于探求各類(lèi)材料平臺(tái)在各類(lèi)電磁波長(zhǎng)下是否存在這些限制在表面的電磁響應(yīng)，包括近來(lái)在拓?fù)浣^緣體中觀察到的太赫茲近場(chǎng)波譜學(xué)響應(yīng)。在大多數(shù)情況下，這種研究暗示了這種納米尺度的表面波在未來(lái)的潛在應(yīng)用，但一般無(wú)法清晰地揭示它們的實(shí)用性。
與此同時(shí)，通過(guò)降低制備量子元件過(guò)程引入的參雜，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)退相干時(shí)間、低相干耗損的超導(dǎo)量子比特是通往量子霸權(quán)的基石。在納米尺度非破壞性地精確地定量確診元件摻雜用以指導(dǎo)元件制備工藝調(diào)整與實(shí)際生產(chǎn)就十分必要。
太赫茲波，因其對(duì)自由氮化物含量奇特的偵測(cè)靈敏度，非常適用于偵測(cè)元件中的參雜。但是，因?yàn)樘掌澆ㄌ幱谥屑t外與微波頻段之間，受制于衍射極限，其遠(yuǎn)場(chǎng)空間幀率被限制在數(shù)十到數(shù)標(biāo)頭米，難以直接解析在納米尺度變化的物質(zhì)性質(zhì)。科學(xué)家近些年來(lái)利用散射型近場(chǎng)光學(xué)掃描顯微鏡（s-SNOM）實(shí)現(xiàn)太赫茲納米探針，從而促使直接解析納米尺度變化的太赫茲波與物質(zhì)互相作用成為可能。
但是，怎么定量借助太赫茲s-SNOM解析多層納米結(jié)構(gòu)介電環(huán)境（定量提取復(fù)介電常數(shù)與薄膜長(zhǎng)度，從而檢測(cè)元件參雜含量與深度），與在納米尺度觀測(cè)的太赫茲表面等離極化鈮酸鋰互相驗(yàn)證，怎樣實(shí)現(xiàn)從納米尺度下定性觀測(cè)到物質(zhì)的訊號(hào)反差走向多層結(jié)構(gòu)物質(zhì)性質(zhì)的定量解析，還是亟待解決的科學(xué)問(wèn)題（見(jiàn)圖1）。
圖2太赫茲散射式掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡定量剖析多層納米結(jié)構(gòu)流程圖
3.創(chuàng)新研究
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究人員從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的硅基量子元件平臺(tái)出發(fā)，提出并演示了一套普適的基于矢量校準(zhǔn)提取多層結(jié)構(gòu)納米尺度復(fù)介電常數(shù)與長(zhǎng)度的太赫茲近場(chǎng)納米波譜定量剖析新方式（圖2），并定量剖析在制備的超導(dǎo)量子元件金屬-電介質(zhì)界面觀測(cè)到的太赫茲表面等離極化鈮酸鋰（圖3），進(jìn)一步研究在制備過(guò)程中引入元件表面的金屬性參雜層與參雜深度。通過(guò)太赫茲納米波譜檢測(cè)的復(fù)介電常數(shù)符合支持表面等離極化鈮酸鋰的介電環(huán)境條件，測(cè)得的多層納米結(jié)構(gòu)色散曲線（復(fù)介電常數(shù)+長(zhǎng)度）與太赫茲近場(chǎng)高波譜在實(shí)空間檢測(cè)的表面等離極化鈮酸鋰波矢量相吻合，同時(shí)與理論估算相符（圖4）。該方式同時(shí)在商用多層納米結(jié)構(gòu)校正件TGQ1上進(jìn)行了驗(yàn)證（圖5）。通過(guò)對(duì)元件硅溝道表面進(jìn)行選擇性蝕刻，高溫元件檢測(cè)（50毫開(kāi)爾文）表明與二基態(tài)擾動(dòng)有關(guān)的內(nèi)部品質(zhì)質(zhì)數(shù)得到提高。這否認(rèn)了結(jié)合矢量校準(zhǔn)介電剖析的太赫茲散射型近場(chǎng)掃描波譜學(xué)是一種有前途的表征量子元件表面介電特點(diǎn)的確診性技巧。
圖3太赫茲近場(chǎng)納米高波譜實(shí)空間表征量子元件表面等離極化鈮酸鋰
圖4太赫茲近場(chǎng)散射波譜復(fù)介電常數(shù)與長(zhǎng)度提取：太赫茲近場(chǎng)納米波譜檢測(cè)表面金屬參雜層復(fù)介電常數(shù)與長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與理論估算等離鈮酸鋰實(shí)驗(yàn)色散曲線
圖5太赫茲近場(chǎng)散射波譜復(fù)介電常數(shù)與長(zhǎng)度提取:商用納米探針TGQ1校正標(biāo)樣驗(yàn)證結(jié)果
4.應(yīng)用與展望
研究團(tuán)隊(duì)提出的基于矢量校準(zhǔn)提取多層結(jié)構(gòu)納米尺度復(fù)介電常數(shù)與長(zhǎng)度的太赫茲近場(chǎng)納米波譜定量剖析新方式，是一種普適、高效、適用樣品廣泛的散射型近場(chǎng)波譜定量剖析技巧。受惠于方式本身不依賴(lài)于假定待測(cè)未知結(jié)構(gòu)遵照某一介電常數(shù)模型，這促使方式可以推廣到其他對(duì)參雜含量（自旋遷移率，復(fù)介電常數(shù)）敏感的非硅基半導(dǎo)體元件，以及其他納米元件。
該研究成果以“offortheofin”為題在線發(fā)表在。
本文作者分別是XiaoGuo(郭曉),XinHe(何新),Chun-ChingChiu(邱俊清),(扎卡里·德格南),C.(博格丹·C·多諾塞),Karl(卡爾·伯特林),(阿爾卡季·費(fèi)多羅夫),D.Raki?(亞歷山大·D·拉基奇),Peter(彼得·雅各布森)。郭曉博士為第一作者，D.Raki?院士和Peter博士為共同通信作者。
D.Raki?(亞歷山大·D·拉基奇)院士是悉尼學(xué)院工程、建筑和信息技術(shù)學(xué)部(EAIT)執(zhí)行主任，領(lǐng)導(dǎo)新澤西學(xué)院電氣工程系光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室。(阿爾卡季·費(fèi)多羅夫)副院長(zhǎng)是悉尼學(xué)院化學(xué)系超導(dǎo)量子設(shè)備實(shí)驗(yàn)室?guī)ь^人，Peter博士是悉尼學(xué)院化學(xué)系匯聚態(tài)化學(xué)講師。