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Con la scoperta dei superconduttori ad alta temperatura critica avvenuta nel 1986, sono diventati raggiungibili traguardi applicativi che in passato erano preclusi dai costi e dalle difficoltà legate all'utilizzo di elio liquido, necessario a mantenere i superconduttori tradizionali al di sotto della della temperatura critica. Per questi materiali infatti, come dice il nome, lo stato di superconduzione si raggiunge a temperature sensibilmente più alte, per le quali è sufficiente il solo uso dell'azoto liquido.
Da allora sono stati costruiti vari tipi di dispositivi elettronici, (giunzioni Josephson, SQUID e filtri in radiofrequenza) basati fondamentalmente su film sottili epitassiali di questi materiali e interfacce tra grani con orientazione diversa ottenuti artificialmente.
In questa direzione si deve affrontare il problema della struttura microscopica dei film e dei bordi dei grani: questi materiali hanno infatti una struttura policristallina, in cui i più grandi domini monocristallini (chiamati "grani"), e di conseguenza le interfacce tra essi, hanno dimensioni su scala nanometrica (circa 10-100 nm). Le possibilità di studiare le proprietà fondamentali di trasporto dei superconduttori ad alta temperatura critica vanno quindi di pari passo con la capacità di creare dispositivi di dimensione più piccola dei domini moncristallini e di isolare singole interfacce tra grani.
Nel raggiungimento di questi obiettivi si colloca il mio lavoro di tesi, durante il quale è stata messa a punto un'innovativa procedura di fabbricazione di nanostrutture su film sottili del superconduttore ad alta temperatura critica YBaCuO (YBCO), cresciuto epitassialmente.
La tecnica da noi sviluppata consiste nell'attacco a fascio ionico attraverso una maschera di titanio definita tramite litografia a fascio elettronico ed evaporazione termica. Con l'utilizzo di questa tecnica sono stati ottenuti nanofili con larghezza minima fino a 60 nm. I fili sono stati poi catterizzati elettricamente a bassa temperatura e tutti hanno esibito proprietà superconduttive. Dall'analisi dei dati si vedrà come la temperatura critica di questi fili scali con la larghezza degli stessi, da un valore massimo di 84K per i fili più grandi, coincidente con il valore del film integro, a un minimo di 42K per i più sottili. Questa differenza sarà interpretata come una variazione nella concentrazione di ossigeno. L'YBCO infatti è un composto non stechiometrico, in cui la quantità di ossigeno presente influenza direttamente la densità di portatori di carica liberi presente nel film: a diversi valori del contenuto di ossigeno si possono avere composti non superconduttori o addirittura isolanti. I processi di fabbricazione (litografia, attacco) portano infatti ad un abbassamento della concentrazione di ossigeno in prossimità dei bordi laterali delle strutture, che quindi risulta in un minor contenuto di ossigeno nei fili di larghezza minore.
Diverse tecniche sono state adottate fino ad ora per ottenere dispositivi sub-micrometrici di YBCO. L'innovazione da noi introdotta consiste nell'utilizzo del titanio come materiale per le maschere. Rispetto al carbonio, utilizzato in esperimenti simili, il titanio è più resistente all'attacco a fascio ionico, consentendo l'utilizzo di maschere più sottili e quindi un miglior controllo sulla risoluzione laterale dei dispositivi. Per utilizzare il titanio è stato necessario dover risolvere problematiche legate alla capacità di questo metallo di ossidarsi facilmente, prendendo, in condizioni normali, ossigeno dal film sottostante, che si trova quindi a perdere le sue proprietà di superconduttore.
L'alta risoluzione e l'alta precisione nella definizione e sul posizionamento delle nanostrutture consentito dalla nostra tecnica ci hanno permesso di ottenere fili non solo di larghezza inferiore a 100 nm, ma anche con la distanza tra gli elettrodi di contatto ridotta fino a 200 nm e posizionati in coincidenza con i singoli grani e con le singole interfacce.