聚焦氦離子束技術——高溫超導約瑟夫森結制備的潛力路徑

|作者：徐娟1　王越2, ?　王旭1, ??　金魁1

(1 中國科學院物理研究所 北京凝聚態物理國家實驗室）

(2 北京大學物理學院)

本文選自《物理》2026年第1期

摘要超導約瑟夫森結基于可觀測的宏觀量子效應，是推動精密計量、弱磁探測、太赫茲混頻等弱電應用發展的核心部件。相比低溫超導約瑟夫森結，高溫超導約瑟夫森結在制冷能效、上限工作頻率等方面具有顯著優勢，然而在可控及可重復制備方面一直面臨挑戰。作為一種亞納米級精度、直寫式微納加工新方法，聚焦氦離子束技術正逐漸應用于高溫超導約瑟夫森結的制備與研究。文章將從技術發展歷程、器件制備優勢、前沿應用案例及未來前景等方面介紹聚焦氦離子束技術。

關鍵詞高溫超導約瑟夫森結，聚焦氦離子束技術，亞納米級加工精度

01

引 言

約瑟夫森結憑借其獨特的物理性質，在精密計量、高頻信號處理以及微弱信號探測等弱電領域展現出巨大的應用潛力。例如，基于交流約瑟夫森效應產生的量子電壓是現代電壓基準的核心；基于超導約瑟夫森結的混頻器可以實現比半導體混頻器更低的噪聲溫度和變頻損耗；而結合約瑟夫森結和超導環路的磁強計能夠探測到地磁場百億分之一大小的極微弱磁場(fT)。目前，低溫超導約瑟夫森結的制備工藝已經相當成熟，但其應用往往依賴于極低溫環境(如液氦溫區，-269 ℃)，導致運行和維護成本高昂。相比之下，工作于液氮溫區(-196 ℃)的高溫超導約瑟夫森結則能顯著降低制冷需求，同時，由于高溫超導體具有更高的能隙，器件的工作頻率也得以大幅提升。然而，高溫超導材料往往多元復雜、相干長度短且各向異性顯著，適用于低溫超導材料的傳統“三明治”約瑟夫森結難以在高溫超導材料上實現。目前高溫超導約瑟夫森結的常用制備方法主要是雙晶結和臺階結等技術，在結的一致性、規模化陣列集成等方面仍面臨挑戰。這直接制約了器件的成品率，阻礙了基于結陣的量子電壓基準的實用化，限制了微弱信號傳感器信噪比的進一步提升。

聚焦氦離子束(focused helium ion beam, He-FIB)技術憑借其直寫式和亞納米級精度的加工能力，為高溫超導約瑟夫森結的可控、可重復制備開辟了新路徑。該技術繼承自場離子顯微鏡(field ion microscope, FIM)的技術基礎，并通過對氦離子(He+)束的精準聚焦實現了加工精度的重大突破。與傳統的掃描電子顯微鏡相比，因為氦離子的質量約為電子的7300倍，其顯著的離子質量優勢可有效降低衍射效應，從而賦予FIM極高的分辨率。He-FIB技術進一步利用He+與材料相互作用時橫向散射小的特性，通過對He+束進行聚焦控制使加工精度達到亞納米量級。這一特性使He-FIB能夠有效解決傳統電子束或離子輻照技術制備高溫超導約瑟夫森結勢壘過寬的問題，避免寬勢壘導致約瑟夫森耦合弱化和性能下降。另外，直寫式加工模式無需依賴掩膜工藝，制備參數可實現精準調控，這不僅顯著提升了結制備的重復性，更為實現高溫超導約瑟夫森結大規模化陣列集成提供了可靠的技術路線。

02

聚焦氦離子束技術的發展歷程

He-FIB技術的發展與FIM[1]的發明密切相關。FIM由穆勒(E. W. Müller)于20世紀50年代發明，其簡化結構如圖1(a)所示[2]。它包含一個低溫冷卻的金屬針尖(典型金屬為鎢)，該針尖被施加高正電壓。針尖尖端銳利(半徑約100 nm)，局部電場強度很高(≥1010 V/m)。當向針尖周圍引入氦氣等惰性氣體時，高電場使中性氦原子極化，使其被吸引在針尖附近，在針尖最突出的原子位置處產生量子隧穿效應，電子從氦原子隧穿至針尖，使氦原子電離(場致電離)。帶正電的氦離子隨即被電場加速離開針尖，射向接地的熒光屏或其他成像設備，形成與針尖原子排列一一對應的明亮像點。值得注意的是，針尖的低溫冷卻降低了氦原子及離子的熱運動動能，避免了室溫下氦原子熱運動導致的電離效率降低和成像分辨率下降，確保了氦離子成像與針尖原子的精確對應。圖1(b)顯示了一張典型的鎢針尖FIM圖[3]，此方式使人類首次實現了對物質中原子排列的直接觀測[4]。

圖1 (a)場離子顯微鏡(FIM)的簡化結構示意圖[2]；(b)一張典型的鎢針尖FIM圖像[3]

FIM的研究使人們認識到，有可能發展基于氦氣等惰性氣體的氣體場離子源(gas field ion source, GFIS)。我們知道，傳統的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)通過聚焦電子束進行掃描成像，但由于電子質量非常小，其聚焦束斑直徑受電子衍射效應限制，且電子撞擊樣品時散射效應很強，與樣品的相互作用體積大，導致SEM的成像分辨率通常限制在2—5 nm。相比之下，氦離子的質量是電子的7000多倍，德布羅意波長遠小于電子(例如，在20 keV能量下，氦離子的德布羅意波長約為10-4 nm，比電子低兩個數量級)。因此，若使用氦離子進行顯微成像，衍射效應將顯著減弱，有望把成像分辨率提升至亞納米，達到原子尺度。這一優勢驅動著人們對氣體場離子源，特別是氦離子源進行持續研究。

與電子顯微鏡需要高亮度電子束類似，氦離子顯微鏡(helium ion microscope, HIM)的構建需要高亮度的氦離子源，并希望離子源具有優良的單色性(即離子能量分布窄)，以便將氦離子束聚焦至更小尺寸(即實現更小束斑的He-FIB)，提高成像分辨率。離子源的歸一化亮度

B

r 定義為

B

r =

AΩV

)，單位為Am -2 sr -1 V -1 ，其中

為電流，

A

為離子源有效面積，

為離子束立體角，

V

為加速電壓。在FIM中，針尖前端一般呈大致半球形形狀，如圖1(b)所示，此時有很多束氦離子束(數百甚至上千束)從針尖前端一系列原子位置附近射出。實驗表明，單個氦離子束(對應針尖前端單個原子位點)的能量分布可低于0.5 eV，具有優良的單色性 [5] 。然而，由于針尖附近有限的氦氣要供給眾多的氦離子束發射，單個氦離子束的亮度(束流)有限。為提高亮度，一種策略是將多束氦離子束合并為一束，但研究表明此方式實現起來難度很大 [2] 。

為提高氦離子束亮度或者說提升氣體場離子源性能以實現He-FIB和構建HIM，人們也提出了其他各種策略，如改變針尖構型、采用其他形式或工作原理的離子源等，相關研究取得了一定進展[6]。值得指出的是，在這期間，液態金屬離子源(liquid metal ion source, LMIS)于20世紀70年代問世，其中以鎵(Ga)離子源為主。與氣體場離子源不同，液態金屬離子源無需低溫冷卻(Ga的熔點約為300 K)，操作簡便，且能產生高束流，具有良好的穩定性和使用壽命。再結合重Ga離子對樣品的濺射、修飾或注入作用，液態金屬離子源(或Ga-FIB)迅速在半導體等微納加工領域得到廣泛應用。不過，液態金屬離子源的亮度仍不是很高(歸一化亮度約1×106 Am-2sr-1V-1)，離子能量分布還不夠小(約2—40 eV)，束斑尺寸仍在2 nm以上[7]。同時，與鎵相比，氦為惰性元素，質量又輕得多(約為鎵原子的1/17)，因此氦離子對樣品的濺射效應及對樣品的電學、化學等特性的影響要小得多，除可用于更高分辨的成像外，也更適合對生物樣品等敏感樣品進行精細加工或修飾。在此背景下，He-FIB或高亮度氣體場離子源的研究仍備受關注。

圖2 (a)新型三棱錐金字塔形針尖及相應的氦原子電離示意圖[2]；(b)該新型針尖所對應的FIM圖[8]

氦氣體場離子源的突破發生在2005到2006年。ALIS公司設計了一種新型金屬針尖形狀，其末端為三棱錐金字塔形(圖2(a))[2]，而非FIM中常見的半球形。金字塔形頂端由三個原子構成的穩定組態(稱為“三聚體”，trimer)形成，此處電場最強，氦原子電離及氦離子束發射均在此三個原子前方進行。偏離金字塔形頂端的其他區域電場迅速下降，無法滿足氦原子電離條件，因此基本無氦離子束發射(圖2(b))[8]。原先FIM中針尖附近有限的氦氣需供給數百束氦離子束發射，而新設計僅需供給三束，從而使單束氦離子束電流增加兩個數量級以上，亮度顯著提高。據估算，單束氦離子束的歸一化亮度可達1×109 Am-2sr-1V-1，比液態金屬離子源高三個數量級[3]。利用光闌（aperture）選擇三束氦離子束中的一束，通過負電勢的引出電極(extractor)將其引出，再通過離子光學柱(ion optical column)實現離子束聚焦及樣品表面掃描，ALIS公司成功構建了HIM(圖3)[9]。該離子源除具有高亮度和低能量分布外，還具備較長壽命，且新型針尖金字塔尖端可原位重復制備。這些特點為氦氣體場離子源的實用化及HIM設備的商業化奠定了基礎。

圖3　由ALIS公司(后并入Zeiss公司)構建的HIM結構組成示意圖[9]

如圖3所示，由ALIS公司研制的HIM整體架構與傳統SEM相似，但具體部件因適配氦離子源及氦離子束聚焦特性而有所差異。在HIM中，氦離子源由液氮冷卻至約75—80 K，氦離子束流可通過調節氦氣壓強簡便控制，而SEM或Ga-FIB中的束流調整一般需通過改變物理光闌和束流光學元件來實現。相比SEM，氦離子束的會聚角更小，HIM景深更大。結合氦離子弱得多的衍射效應，He-FIB束斑尺寸估測最小可低至0.25 nm[2]。HIM可采用二次電子進行成像(與SEM相似)，且其更高的二次電子產額可賦予圖像更高質量。除二次電子外，HIM也可利用背散射離子、光子等進行成像，對預先減薄的樣品也可采用透射模式成像。

還需指出的是，相對于電子束或鎵離子束，氦離子束與樣品的相互作用體積要小得多。例如，圖4對比了鎵離子束、電子束及氦離子束轟擊硅襯底時粒子散射軌跡的蒙特卡羅模擬結果：鎵離子束和電子束進入樣品后發生顯著的橫向散射，相應的二次電子激發位置相對于束流轟擊點可存在明顯的橫向偏離，導致相互作用體積變大及成像分辨率下降；而氦離子束進入樣品后至少在最初的幾十納米厚度內保持了良好的準直性，橫向散射很小，二次電子激發仍局限于束流轟擊點附近區域，對應著顯著減小的相互作用體積和更高的樣品表面成像分辨率。這也為He-FIB對樣品進行高分辨精細結構加工奠定了基礎。

圖4　不同粒子束轟擊硅襯底時軌跡的蒙特卡羅模擬對比圖[8]

He-FIB展現的高分辨成像能力和高精度樣品加工潛力引發了人們的廣泛關注。ALIS公司成功研制HIM設備后并入Zeiss公司，后者于2007年推出首款商用 HIM設備ORION。He-FIB離子束的能量可在10—30 keV范圍內調節，束流可在0.1—100 pA范圍內調節，30 keV時成像分辨率可達0.5 nm。該設備可以應用于生物細胞、二維材料等的高分辨成像，以及固態納米孔、納米磁性器件等的高精度加工或制備[3]。其直寫式、亞納米結構制造能力也為高溫超導約瑟夫森結及相關超導器件的研制提供了新的契機。

03

He-FIB技術在高溫超導器件制備中的優勢

1962年，約瑟夫森(B. D. Josephson)從理論上預言，當兩個超導體被一薄勢壘層隔開時(如圖5(a)所示，該結構被稱為約瑟夫森結)，庫珀對可從一側超導體量子隧穿至另一側，即出現約瑟夫森效應。約瑟夫森效應包括：(1)直流約瑟夫森效應，表現為當結兩端電壓為零時，可存在一直流電流無阻地通過結區，其電流密度可表達為

j

j

c sin

，其中

j

c為約瑟夫森臨界電流密度，

為結兩側超導體波函數的相位差。此時在結的

V

特性曲線上可實驗觀測到一零電壓超導電流，如圖5(b)所示 [10] ；(2)交流約瑟夫森效應，當結兩端施加直流電壓

V

0時，將產生交變約瑟夫森超導電流，其頻率為，其中為磁通量子，

e

為電子電荷，

h

為普朗克常數。此時若另有頻率為

f

1的微波照射約瑟夫森結，結的

V

特性曲線上將呈現一系列豎直臺階(稱為Shapiro臺階)，臺階處的電壓值

V

n=

nΦ

0

f

1，如圖5(c)所示 [11] 。

圖5　約瑟夫森結的結構示意圖(a)，以及直流(b)和交流(c)約瑟夫森效應下的

V

特性曲線 [10，11]

約瑟夫森結因其獨特的宏觀量子相位相干性、非線性量子動力學特性以及超導態零耗散特性等，在精密計量、高頻信號處理及高靈敏度信號探測等領域彰顯出突出的應用優勢。基于交流約瑟夫森效應的量子化電壓臺階僅取決于基本物理常數(

h

e

)和微波輻照頻率

f

，使約瑟夫森結及結陣列成為量子電壓基準的核心元件。基于非線性電流—相位關系構成的約瑟夫森混頻器具有極低噪聲溫度、超高頻率響應(大于0.1 THz)及寬工作帶寬的優勢，并且相比傳統半導體混頻器具有更低的太赫茲頻段變頻損耗，甚至有望實現正的變頻增益。若將一個或兩個約瑟夫森結嵌入超導環，可結合約瑟夫森效應及超導環的磁通量子化現象構成射頻(RF)或直流(DC)超導量子干涉器(SQUID)。SQUID的輸出電壓是通過超導環磁通的周期函數，周期為磁通量子

0 ，基于此構建的SQUID磁強計可實現10 ?15 T (fT)量級的微弱磁場探測，在生物磁、地質勘探及無損檢測等領域具有重要應用 [12] 。

基于傳統低溫超導體(如Nb)的超導約瑟夫森結，受限于所使用超導體的超導轉變溫度(

T

c )，一般工作于液氦(4.2 K)或更低的溫度，制冷成本和要求較高。相比之下，利用高

T

c 的銅氧化物高溫超導體(典型材料為釔鋇銅氧，YBa 2 Cu 3 O 7-

，簡寫為YBCO)制備的高溫超導約瑟夫森結則可工作于液氮溫度(77 K)，制冷成本和要求大幅降低。另外，超導體的超導能隙限制著約瑟夫森結的最高工作頻率，相對于低溫超導體，高溫超導體的超導能隙(

)要大得多(對于Nb，

~1.5 meV；對于YBCO，

~20—40 meV)，其意味著高溫超導約瑟夫森結可具有更高的工作頻率或響應速度，這對于開發更高速或更高頻率響應的超導器件或線路具有重要意義 [13] 。這些制冷需求及性能參數等方面的特點，使得高溫超導約瑟夫森結及相關高性能超導器件的開發和應用備受關注。

超導約瑟夫森結的制備質量與工藝可重復性是保證器件性能及實現其規模化應用的關鍵。當前，對傳統低溫超導約瑟夫森結，主要為超導—絕緣層—超導的三明治結構，其制備工藝已相對成熟，不同樣品之間結參數的一致性和可控性良好。相對照，高溫超導約瑟夫森結的制備則困難許多，制備工藝的可重復性及結參數的可控性和一致性仍面臨挑戰。這是因為銅氧化物高溫超導材料具有元素組成多、結構復雜、超導相干長度極短且各向異性強(如對YBCO，其

ab

面內的超導相干長度約為2 nm，

c

軸方向上相干長度則約為0.2 nm) [14] 等特點。這使得高溫超導約瑟夫森結很難采用傳統低溫超導約瑟夫森結的三明治結構來制備，同時意味著材料中原子尺度的結構缺陷或化學組分(如氧含量)變化都可能對約瑟夫森結的性能產生重要影響 [15] 。這為高溫超導約瑟夫森結的可靠、可控和可重復制備提出了難題。

基于上述高溫超導體的特性，人們利用材料中的晶界形成弱連接，研發出了晶界結這一目前得到廣泛采用的高溫超導約瑟夫森結制備技術，其主要包括雙晶結和臺階結兩種類型[15]。雙晶結(圖6(a))是在雙晶襯底(由兩塊取向不同的單晶基片經燒結等工藝結合而成)上外延生長高溫超導薄膜，由襯底在薄膜中誘導出晶界而形成的晶界結。臺階結(圖6(b))則是在單晶襯底上刻蝕出臺階然后外延生長高溫超導薄膜，利用臺階邊沿兩側薄膜取向不同形成晶界而實現的晶界結。總體而言，雙晶結的性能依賴于雙晶襯底及外延薄膜的質量[16]，襯底成本高，結的位置受襯底限制；臺階結的位置選擇相對靈活，不過其性能依賴于臺階的微觀結構，對加工工藝有著嚴苛的要求[17—18]。這些特性使晶界結在達成高溫超導約瑟夫森結的一致性、可重復制備，尤其是結陣列高質量、大規模集成上存在一定的局限。

除晶界結以外，利用電子束[19，20]或離子(如氧、氬、氖等離子)[10，11，21—28]輻照高溫超導薄膜的特定區域，在其中引入無序或缺陷(如氧移位等)使超導電性變差(

T

c 降低)或失去超導電性(轉變為正常導體或絕緣體)，進而在該區域和其兩側未輻照薄膜區域之間引發約瑟夫森效應，也是制備高溫超導約瑟夫森結的重要途徑。在此方式中，為提高結的性能，人們期望在合適的輻照劑量下輻照區域的寬度能盡量小。因此，在實踐中離子輻照一般采用掩膜的方式進行，即采用微納加工(如電子束曝光)在高溫超導薄膜上方的掩膜層中制備出一個盡量窄的縫隙來限定輻照的區域，然后進行離子輻照(圖6(c)) [29] 。一方面，受限于加工工藝的精度和條件，掩膜縫寬一般在20 nm或以上；另一方面，上述離子(電子束類似)進入薄膜后會發生顯著的橫向散射(類比圖4)，使有效的輻照區域實際上更寬(可達100 nm)，遠大于高溫超導體的相干長度 [28] 。這使得目前電子束或離子輻照制備的高溫超導約瑟夫森結的性能尚不理想，如結的特征電壓

V

c (正比于結的最高工作頻率，

V

c=

c

R

n，

c為結的約瑟夫森臨界電流，

R

n為結的正常電阻)往往偏低，結的工作溫度有時達不到液氮溫度，影響了器件的實際應用。另外，掩膜及微納加工工藝的要求也對結的一致性、規模化陣列集成增加了難度。

圖6　幾種高溫超導約瑟夫森結的制備方法 (a)雙晶結[15]；(b)臺階結[15]；(c)掩膜離子輻照[29]；(d)聚焦氦離子束(He-FIB)輻照[30]

因此，為實現高性能高溫超導約瑟夫森結的可控、可重復制備以及規模化陣列集成，之前仍面臨一些瓶頸，亟需開發一種新的加工技術——該技術需具備相對簡便、穩定的操作特性，同時又要擁有接近原子尺度的控制精度。如前所述，He-FIB可具有0.5 nm的束斑且在樣品中可保持良好的準直性，基于這些特性，可利用He-FIB直接輻照高溫超導薄膜，通過高速氦離子的轟擊，在很窄的寬度范圍內改變薄膜的元素分布或組成，在薄膜晶格中引入原子移位等晶格缺陷(比如將Cu-O鏈上的氧原子移位至晶格間隙處)，進而降低或完全破壞此處薄膜的超導電性，實現一個寬度很窄的弱連接的制備。這種引入弱連接的方式有可能為高溫超導約瑟夫森結的制備提供突破性解決方案。具體而言，該方案的特點或優勢包括：(1)納米級加工精度。通過He-FIB的亞納米束斑及樣品內良好的準直性可實現對結區尺寸及界面的精細操控。這不僅對保證結的性能有重要意義，也有助于滿足結陣列等應用中對約瑟夫森結高密度集成的需求；(2)無掩膜直寫加工。He-FIB輻照不需要掩膜，可實現原位直寫加工。這不僅大大簡化工藝流程，也將避免或減少傳統工藝所帶來的掩膜污染、加工參數漲落等風險，將顯著提升結制備的方便程度及其一致性和均勻性；(3)靈活與可調節性。利用He-FIB，結的位置可靈活選擇、不受限制，這便于結器件的功能設計及結陣列的規模化集成。通過調節He-FIB的輻照劑量，可定量調節結的性能參數從而優化結的制備及滿足不同應用場合的需求。綜合上述特性，可以看到，利用He-FIB輻照制備高溫超導約瑟夫森結在解決結的可控、可重復制備以及規模化陣列集成方面具有很大的應用潛力。正因如此，在2015年美國加州大學S. A. Cybart等人[30]首次報道利用He-FIB輻照成功制備YBCO高溫超導約瑟夫森結之后，這一工作迅速受到大家的廣泛關注，相關研究小組紛紛投身其中，不斷對這一方法進行深入的探索和研究。

04

前沿應用案例

圖6(d)對利用He-FIB技術在YBCO薄膜上直寫約瑟夫森結作了示意描繪[30]。通過調節He-FIB的輻照劑量，可調控YBCO約瑟夫森結的特性，這在S. A. Cybart團隊2015年的里程碑式工作中得到了清晰的展現。他們的實驗表明，只需調整He+劑量即可連續調控勢壘性質：輻照劑量由2×1016 ions/cm2增至6×1016 ions/cm2時，勢壘從金屬性(

R

n 隨溫度的下降而減小)變為絕緣性(

R

n 隨溫度的下降而增大)，同時臨界電流

c 由(1-

T

T

c ) 2 的溫度依賴(超導—金屬—超導SNS結的特性)變為更弱的溫度依賴且在低溫趨近于不變(超導—絕緣—超導SIS結的隧穿特性)，如圖7(a)，(b)所示。2019年，德國圖賓根大學B. Müller團隊 [31] 進一步給出了定量關系：臨界電流

j

c ∝exp(-

D

D

0 )。上述結果一致證明，調節He-FIB劑量可以實現對結區勢壘精準、可重復的調控。

圖7　高溫超導約瑟夫森SNS結(a)和SIS結(b)的臨界電流

c 和電阻

R

n 與溫度的依賴關系 [30]

通過He-FIB輻照劑量對高溫超導約瑟夫森結結區勢壘和超導特性的調控，使全直寫高溫SQUID已成為現實，這又為超導量子器件的納米集成提供了新范式。2015年，S. A. Cybart團隊以4×1016 ions/cm2的輻照劑量，制備了基于SNS結的SQUID，在50 K溫度下磁通噪聲水平為20 μΦ0/Hz1/2@10 Hz，對應的磁場噪聲為20 pT/Hz1/2[32]。2018年，該團隊進一步實現了“零刻蝕”SQUID制備工藝：首先采用高劑量輻照掃描YBCO薄膜特定區域(如方形或圓形)，通過完全抑制這一區域的超導電性形成SQUID環孔，然后采用中等劑量輻照環路上特定位置形成約瑟夫森勢壘[33]。通過一個步驟定義了SQUID的幾何形狀與結區，顯著簡化了流程并提升了可擴展性。2019年，B. Müller團隊[32]也采用類似的直寫輻照、無需刻蝕薄膜的方式定義SQUID環孔，在鑭鍶鋁鉭氧化物(LSAT)襯底上，制備出環路電感僅20 pH的高溫SQUID，4.2 K下白噪聲水平為500 nΦ0/Hz1/2，已與傳統性能良好的低溫SQUID的噪聲基底相當，為后續實現極低磁通噪聲水平的超高靈敏高溫SQUID傳感器奠定了核心技術基礎。

單個SQUID構成的傳感器在帶寬、工作頻率和動態范圍等方面存在局限。將多個(

N

個)SQUID以串聯、并聯或混聯方式陣列化，可在理論上將信噪比提高

√N

倍。然而，陣列規模擴大后，結參數的空間均勻性、芯片面積壓縮及高頻電磁波與各SQUID單元的均勻耦合都面臨顯著增加的技術難度，已成為制約器件性能提升的核心瓶頸。He-FIB技術憑借其納米級加工精度和精細調控勢壘層的能力，有望實現“高均勻度+高密度”SQUID陣列的集成。2020年，S. A. Cybart團隊首次在100 μm×100 μm內集成了84個微型SQUID(單環25 μm 2 ) [34] 。2024年，通過進一步縮小環路至亞微米尺度，結合串并聯組合方式增大了電壓調制深度和電壓—磁場傳輸函數(d

V

B

) [35] 。

然而，SQUID陣列動態范圍與工作帶寬的進一步拓展仍然存在較大難度。2019年，S. A. Cybart團隊提出采用長約瑟夫森結陣列進行磁場探測的方案。利用He-FIB技術將數百個(400或600)YBCO約瑟夫森結進行串聯，得到具有高動態范圍、高線性響應的磁場傳感器，串聯結陣的不均勻性約為25%，電壓—磁場傳輸函數(磁場探測靈敏度)為42 mV/mT(71 K)[36]。2022年，串聯陣列規模擴大至2640結，40 K時傳感器的靈敏度達到1.7 mV/μT，動態范圍為117 dB，線性響應磁場范圍為10.6 μT，為高溫超導弱磁探測擺脫傳統SQUID帶寬極限提供了全新技術路線[37]。

除SQUID器件外，He-FIB技術也為其他高溫超導電子器件帶來變革性應用。2024年，M. Pr?pper等人[38]利用He-FIB技術將YBCO約瑟夫森結集成到U形天線的饋點，利用結電阻

R

n (約7 Ω)與天線10 Ω的精準匹配，提高1 THz、1.3 THz和1.4 THz的輻射耦合效率后，在實驗上觀測到了對應頻率的Shapiro臺階。這直接證實了YBCO約瑟夫森結在THz應用(如探測器、混頻器、振蕩器等)中的可行性。

國內科研機構(如北京大學、中國科學院物理研究所、中國科學院上海微系統與信息技術研究所等)對He-FIB技術制備高溫超導約瑟夫森結也十分關注，尤其是液氮溫區性能的提高。北京大學團隊利用He-FIB技術考察了不同劑量下YBCO約瑟夫森結的制備及特性，并初步展示了結制備的一致性和可控性[39]。中國科學院物理研究所[40]和中國科學院上海微系統與信息技術研究所[41]也利用He-FIB技術實現了高質量YBCO超導約瑟夫森結的制備，圖8(a)展示了He-FIB加工的YBCO約瑟夫森結的結區形貌。兩個研究所面向應用需求，也開展了應用導向的基礎研究。物理所團隊聚焦YBCO約瑟夫森結及串聯陣列關鍵參數的系統性提升，旨在為高性能太赫茲混頻器(單結高

c

R

n )與低噪聲放大器(萬級結陣)的研制奠定技術基礎。經薄膜生長與微納加工工藝多輪迭代，在液氮溫區(77 K)實現了YBCO約瑟夫森結性能指標的優化：

c 達到332 μA，

R

n 達到0.72 Ω，

c

R

n 值為0.24 mV，如圖8(b)所示。同時，YBCO串聯結陣(16個約瑟夫森結串聯)的

c 不均勻度可低至4.7%，如圖8(c)所示。上海微系統所聚焦77 K的高溫SQUID磁強計和梯度計的研制，通過優化He-FIB和退火工藝，結合2英寸薄膜帶來的有效面積提升，實現了噪聲優于100 fT/Hz 1/2 @77 K的磁強計和2 pT/cm·Hz 1/2 @77 K的梯度計，為地球物理探測和工業無損檢測奠定了芯片基礎 [41] 。

圖8 He-FIB加工的YBCO結區實物圖(a)，以及77 K下單個約瑟夫森結的

V

特性曲線(b)和結陣列的

c 分布圖(c)

05

未來前景

聚焦氦離子束技術憑借其亞納米級加工精度、可精確調控輻照劑量及優異的過程可重復性，為高溫超導約瑟夫森結在液氮溫區實現高密度集成與高質量可控制備提供了切實可行的技術路徑。目前，基于該技術制備的高溫超導約瑟夫森結已成功應用于SQUID器件中，展現出良好的器件性能與穩定性。除此之外，該技術在太赫茲混頻、量子電壓基準等弱電應用領域也展現出重要潛力。例如，通過He-FIB制備的高正常態電阻約瑟夫森結可與太赫茲天線實現良好的阻抗匹配，從而提升耦合效率，為其在高頻信號處理領域的應用奠定基礎。在未來的研究中，如何進一步發揮He-FIB技術的可控優勢，針對不同功能器件的具體需求進行精準定制，成為推動其實際落地的關鍵方向。當前，盡管該技術在結制備方面已取得顯著進展，但在提升串聯結陣中約瑟夫森結數量與參數一致性方面，仍存在提升空間。可以預見，隨著工藝的不斷成熟與集成方案的繼續優化，聚焦氦離子束技術有望為高溫超導約瑟夫森器件走向規模化、標準化與拓展至多應用場景，注入新的發展動能。

參考文獻

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