現代信息技術的快速發展，離不開新材料和新器件的發現。超導電子器件利用極端的手段獲得極端的性能，極大地推動了天文觀測、量子信息、生物檢測和軍事國防等應用領域的發展。近日，吳培亨院士團隊張蠟寶教授課題組提出了一種制備過渡金屬硫屬族化合物(TMDs)納米線的普適策略，通過拓撲化學轉化原理成功制備出高質量超導納米線，其超導電流和回滯電流的比值超過20。這項工作為研制新型超導納米線單光子探測器和相關超導器件提供了新選擇。

超導納米線是超導納米線單光子探測器(SNSPD)等超導電子器件的核心結構。在SNSPD中，超導納米線有類似于“光敏電阻”的效果，對入射光子非常敏感，單個光子即可改變納米線局部區域的電阻值。與此同時，由于超導納米線具有較大的動態電感，阻止了納米線上偏置電流的快速降低，為光子產生熱點(hotspot)長大提供了條件。因此，超導納米線特有的電學性能在實現高性能的單光子探測中發揮著關鍵作用。通常情況下，SNSPD器件的超導納米線僅幾納米厚和幾十納米寬，對超導薄膜的性能和加工工藝都有極高的要求。目前，SNSPD器件的超導納米線主要有如下兩類：一類是單晶或多晶的超薄超導NbN薄膜等，另一類是非晶超薄超導薄膜，如MoSi，WSi等。

自二十世紀70年代首次發現2H-NbSe₂發現具有超導性以來，基于TMDSC單層/幾層的范德華異質結構也催生了奇特的超導現象和新的物理機制。這些新穎的物理現象也衍生出許多超導電子器件，如光電探測器、非互易天線和超電流二極管。納米圖案化制備是TMDSC從基礎研究到實際應用發展的關鍵。然而，由于原子級厚度使得TMDSC薄膜具有較低的穩定性，在傳統的“自上而下”的微納工藝方案中，電子束光刻和反應離子刻蝕等工藝不可避免會破壞TMDSC薄膜性能，這已經成為制約發展TMDSC器件的瓶頸。因此，開發無損制備TMDSC超導納米線是研制TMDSC超導電子器件的關鍵步驟和難題。

針對以上難題，張蠟寶教授課題組基于拓撲化學轉化原理，開發了一種無損制備TMDSC納米電路的普適策略(圖1)。以NbSe₂為例，首先利用磁控濺射預先在基底上沉積金屬Nb膜，對其進行納米線圖案化處理后，置于高溫反應轉化為NbSe₂納米線。相比于傳統的“自上而下”的微納加工工藝方案而言，該方案避免了微納加工工藝對NbSe₂所產生的損傷，使得最終制備的超導NbSe₂納米線具有更加完善的晶格結構和更加優異的電學性能。

圖1 傳統的“自上而下”圖案化策略與拓撲化學轉化策略對比示意圖

基于該方法，研究團隊成功制備出了寬度約為200 nm的NbSe₂納米線(圖2)。實驗測量表明：該超導納米線展現出超高的超流回滯比，其超導電流和回滯電流的比值超過20，且超導臨界電流隨溫度的變化滿足Ginzburg–Landau 模型。同時，不同溫度下的超導臨界電流值的變化證實了其在低溫下存在熱相位滑移(thermally active phased-slip)與多相位滑移態(multiple phase-slip)。此外，可以使用選定的TMD材料(NbS₂，TiSe₂或MoTe₂)制備多功能超導納米電路，例如周期性圓形/三角形空穴陣列和螺旋納米線，驗證了該方法的普適性?！禢ature Communications》審稿人對本文給出了積極評價：“TMDSC超導納米電路對下一代超導應用有發展前途(promising for next-generation superconducting applications)”，“本文展示了一種有效的自下而上的TMDSC納米電路制造方法(an efficient bottom-up approach to fabricating TMDSC nanocircuits)”。

圖2 本文制備的NbSe₂納米線器件的電學特性

相關成果發表于2023年7月18日上線的Nature Communications上(https://doi.org/10.1038/s41467-023-39997-y)。南京大學超導電子學研究所汪瀟涵博士生、王昊副研究員及馬良博士生為本文共同第一作者，王昊副研究員、張蠟寶教授和吳培亨院士為本文共同通訊作者。超導電子學研究所陳健教授、康琳教授、賈小氫教授、趙清源教授、涂學湊高工、王華兵教授和金飚兵教授，南京大學現代工程與應用科學學院張利劍教授和清華大學物理學院陳曦教授對本工作進行了深入指導。

該研究得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃、江蘇省高校優勢學科計劃和江蘇省電磁波先進調控技術重點實驗室等資助。（文章來源：南京大學）