研究目的
研究使用III族氮化物半导体（GaN、AlN）作为衬底对超薄NbTiN超导薄膜临界温度和结构特性的影响，并在这些衬底上制备和测试超导纳米线单光子探测器。
研究成果
使用III族氮化物衬底，特别是与NbTiN晶格匹配度极高的AlN，能显著提升超薄NbTiN薄膜的临界温度并降低其粗糙度。这一改进归因于更优的外延生长和减少的失配弛豫。在AlN衬底上制备的超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）展现出与理论模型高度吻合的高外部量子效率，证实了这些材料改进在实际光探测应用中的有效性。
研究不足
该研究仅限于特定的III族氮化物衬底和沉积条件；诸如晶格匹配导致的粗糙度降低等改进机制可能无法推广至其他材料或更厚的薄膜。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的效率测量显示出波动性，且并非在所有波长下都完全饱和，这表明器件设计与制造方面存在潜在的优化空间。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用反应磁控共溅射技术在室温下于多种III族氮化物衬底上沉积超薄NbTiN薄膜，以探究衬底晶格失配对超导性能的影响。通过X射线反射率、X射线衍射、高分辨透射电镜和原子力显微镜等技术进行结构与电学表征。制备并测试超导纳米线单光子探测器以评估应用适配性。
2：样品选择与数据来源：
衬底包括蓝宝石上AlN、蓝宝石上GaN/AlN异质结构及GaN衬底（导电型与半绝缘型）。样品具体参数详见论文表1的衬底类型与特性说明。
3：实验设备与材料清单：
设备包含用于溅射的超高真空腔室、X射线衍射仪（配备钴阳极的Panalytical Empyrean）、透射电镜（200kV运行的FEI-Tecnai）、原子力显微镜（Dimension 3100系统）以及电子束光刻与等离子体刻蚀设施。材料包括Nb和Ti靶材、Ar与N2气体及各类III族氮化物衬底。
4：实验流程与操作步骤：
衬底经氩等离子体清洗处理后进行沉积。NbTiN薄膜通过特定功率参数与气体混合比沉积。沉积后样品依次接受X射线反射率、XRD、HRTEM和AFM分析。采用电子束光刻与等离子体刻蚀制备SNSPDs，并在液氦环境中通过激光激发测试。
5：数据分析方法：
数据分析包含使用GenX软件拟合X射线反射率、从XRD计算晶格参数、通过AFM测量粗糙度，以及利用RSoft FullWave软件进行有限时域差分模拟计算吸收效率。
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获取完整内容-
X-ray diffractometer
Empyrean
Panalytical
Used for X-ray reflectivity and X-ray diffraction measurements to analyze the structural properties of the NbTiN films and substrates.
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Transmission electron microscope
Tecnai
FEI
Used for high-resolution transmission electron microscopy to study the microstructure and epitaxial relationships of the NbTiN films.
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Atomic force microscope
Dimension 3100
Used in tapping mode to measure the surface morphology and roughness of the NbTiN films.
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Magnetron sputtering system
Used for reactive magnetron co-sputtering to deposit NbTiN films on substrates.
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Quartz crystal monitor
Used to monitor the deposition rate during sputtering.
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E-beam lithography system
Used to pattern the NbTiN films into meander structures for SNSPD fabrication.
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Inductively-coupled plasma etcher
Used for etching the patterned NbTiN films.
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Laser diodes
Used for optical excitation of the SNSPDs at specific wavelengths.
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Software
GenX
Used for fitting X-ray reflectivity data.
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Software
RSoft FullWave
Used for finite-difference time-domain calculations to simulate absorption efficiencies.
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