Ion-beam modification of cuprate superconductors

Die rapide zunehmenden Anforderungen an die Informations- und Kommunikationstechnologie erfordern neuartige Materialien, Prozesse und Bauteile für die "Produkte und Dienstleistungen von morgen" und auch eine Verringerung von Gewicht und Stromaufnahme. Die Miniaturisierung, eines der offensichtlichen Ziele der Nanotechnologie, ist aber oft durch andere physikalische Effekte begrenzt, zum Beispiel dem Problem der Hitzeentwicklung und dem Problem des Wärmeabtransport aus solchen miniaturisierten Schaltkreisen. Die naheliegendste Lösung ist es, supraleitende Materialien und Bauteile zu benutzen, die entweder überhaupt keine Energieverluste aufweisen, oder diese zumindest um Größenordnungen reduzieren. Da Supraleiter aber nur weit unter Raumtemperatur arbeiten, sind aufgrund der notwendigen Kühlgeräte nur die neuartigen, so genannten, Hochtemperatursupraleiter eine realistische Wahl für kommerzielle Anwendungen.
Zu den aufregenden Möglichkeiten, die supraleitende Bauteile bieten, zählen äußerst empfindliche Magnetfeldsensoren, Digital-Analog-Umwandler, Hochfrequenz Filter und Mischer, superschnelle Digital- und Computerschaltkreise und möglicherweise sogar Quantencomputer. Eine essentielle Voraussetzung um solche Bauteile in einem kommerziell durchführbaren Prozess zu erzeugen ist eine Methode für die systematische und reproduzierbare Veränderung der wichtigsten Parameter dieser neuen Materialien und die Möglichkeit Strukturen kleiner als hundert Nanometer herzustellen. Solche Methoden zur Nanostrukturierung sind wenig bekannt und meistens nur für den Laborgebrauch geeignet.
In diesem Forschungsprojekt wollen wir die Möglichkeiten zur systematischen Änderung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Hochtemperatursupraleitern und verwandter Materialien mittels Ionenstrahlen geringer Energie untersuchen. Vorläufige Untersuchungen haben bereits ergeben, dass die elektrischen Eigenschaften systematisch und reproduzierbar durch ionenstrahl-induzierte Punktdefekte verändert werden und dass künstliche, periodische Nanostrukturen durch maskierte Ionenstrahlen erzeugt werden können. Die physikalischen Auswirkungen der Ionenbestrahlung auf verschiedene Eigenschaften von Hochtemperatursupraleitern werden untersucht und die erworbenen Kenntnisse sollen zur Entwicklung einer fotolack-freien, direkten Strukturierungsmethode für supraleitende Nanostrukturen mit neuartigen Eigenschaften führen. Die Forschungsarbeiten werden in Kooperation zwischen den Universitäten in Wien und Linz und der Wiener Firma IMS Nanofabrication GmbH durchgeführt.

The rapidly increasing demands on information and communication technology require novel materials, processes and devices for the "products and services of tomorrow" and a reduction in weight and power consumption. Miniaturization that is one of the evident aims of nanotechnology is frequently limited by other physical effects, for instance by the problem of heat generation and the problem of heat transport out of such miniaturized circuits. The most logical solution is to use superconducting materials and devices that either don't exhibit dissipation at all, or, at least, reduce it by orders of magnitude. Since superconductors only operate far below ambient temperature, the issue of suitable cooling devices makes only the novel, so-called, high-temperature superconductors a realistic choice for most commercial applications.
Exciting possible devices with superconductors include ultrasensitive magnetic field sensors, digital to analog converters, high-frequency filters and mixers, superfast digital and computer circuits and maybe even quantum computers. An essential prerequisite to produce such devices in a commercially viable process is a method for the systematical and reproducible change of the main parameters of these novel materials and the ability to pattern structure sizes smaller than hundred nanometers. Methods for the nano-patterning of high-temperature superconductors are rare, and mostly only suited for laboratory usage.
In this research project, we will investigate the prospects for systematically modifying the electric and magnetic properties of high-temperature superconductors and related novel materials by ion-beam irradiation with moderate energy. Preliminary experiments indicated that the electric properties can be systematically and reproducibly altered by irradiation-induced point defects and artificial periodic nano-structures can be created by masked-ion
beam direct structuring. The physical effects of ion-beam irradiation on various properties of high-temperature superconductors will be investigated and the resulting expertise used to develop a method for the photoresist-less, direct patterning of superconducting nanostructures with novel properties. The research will be performed in a collaboration between the Universities of Vienna and Linz, and the Viennese company IMS Nanofabrication GmbH.