Amorphous Dielectric Thin Films with Extremely Low Mechanical Loss

• Autorzy: Liu X. , Queen D. R. , Metcalf T. H. , Karel J. E. , Hallman F.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0059

Warianty tytułu

PL

Amorficzne cienkie warstwy dielektryczne z bardzo małą wielkością strat mechanicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The ubiquitous low-energy excitations are one of the universal phenomena of amorphous solids. These excitations dominate the acoustic, dielectric, and thermal properties of structurally disordered solids. One exception has been a type of hydrogenated amorphous silicon (α-Si:H) with 1 at.% H. Using low temperature elastic and thermal measurements of electron-beam evap-orated amorphous silicon (α-Si), we show that TLS can be eliminated in this system as the films become denser and more structurally ordered under certain deposition conditions. Our results demonstrate that TLS are not intrinsic to the glassy state but instead reside in low density regions of the amorphous network. This work obviates the role hydrogen was previously thought to play in removing TLS in α-Si:H and favors an ideal four-fold covalently bonded amorphous structure as the cause for the disappearance of TLS. Our result supports the notion that α-Si can be made a “perfect glass” with “crystal-like” properties, thus offering an encouraging opportunity to use it as a simple crystal dielectric alternative in applications, such as in modern quantum devices where TLS are the source of dissipation, decoherence and 1/f noise.

PL

Wszechobecne niskoenergetyczne wzbudzenia są jednym z powszechnych zjawisk w amorficznych ciałach stałych. Wzbudzenia te dominują akustyczne, dielektryczne i termiczne właściwości strukturalnie nieuporządkowanych ciał stałych. Wyjątkiem jest rodzaj uwodornionego amorficznego krzemu (α-Si:H) o zawartości 1 at.% H. Na podstawie niskotemperaturowych badań własności sprężystych i termicznych krzemu amorficznego (α-Si) naparowanego wiązką elektronów wykazaliśmy, że w pewnych warunkach osadzania można wyeliminować TLS w tym układzie tak, że warstwy stają się gęstsze i strukturalnie bardziej uporządkowane. Uzyskane przez nas wyniki wskazują, że TLS nie są nieodłączną cechą stanu szklistego, ale lokują się w regionach o niskim zagęszczeniu sieci amorficznej. Praca niniejsza wyjaśnia, że wodór nie pełni roli w usuwaniu TLS w α-Si:H, jak dotąd sądzono, i wskazuje na idealną czterokrotnie kowalencyjnie związaną amorficzną strukturę jako przyczynę znikania TLS. Nasz wynik potwierdza koncepcję, że z α-Si można wytworzyć “doskonałe szkło” o “podobnych do krystalicznych” właściwościach, oferując w ten sposób zachęcającą możliwość wykorzystania go alternatywnie jako prosty krystaliczny dielektryk w takich aplikacjach jak w nowoczesne urządzenia kwantowe, gdzie TLS są źródłem dyssypacji dekoherencji i szumu 1/f.

Słowa kluczowe

EN

internal friction; amorphous silicon; elastic modulus; speed of sound; tunneling systems

PL

tarcie wewnętrzne; krzem amorficzny; moduł sprężystości; prędkość dźwięku

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 1
• Strony: 359--363
• Opis fizyczny: Bibliogr. 3 poz., rys., wzory

Twórcy

autor

Liu X.

• Naval Research Laboratory, Code 7130, Washington, DC 20375, USA

autor

Queen D. R.

• NRC Postdoctoral Associate, Code 7130, Washington, DC 20375, USA

autor

Metcalf T. H.

• Naval Research Laboratory, Code 7130, Washington, DC 20375, USA

autor

Karel J. E.

• Department of Materials Science And Engineering, University of California, Berkeley, Berkeley, California 94720, USA

autor

Hallman F.

• Department of Materials Science And Engineering, University of California, Berkeley, Berkeley, California 94720, USA
• Department of Physics, University of California, Berkeley, Berkeley, California 94720, USA

Bibliografia

• [1] R. C. Zeller, R. O. Pohl, Thermal conductivity and specific heat of noncrystalline solids, Phys. Rev. B 4, 2029-2041 (1971).
• [2] W. A. Phillips, Amorphous solids - Low Temperature Proper-ties, Springer, Berlin, 1981.
• [3] P. W. Anderson, B. I. Halperin, C. M. Varma, Anomalous low-temperature thermal properties of glasses and spin glasses, Philos. Mag. 25, 1-9 (1972).
• [4] W. A. Phillips, Tunneling states in amorphous solids, J. Low Temp. Phys. 7, 351-360 (1972).
• [5] M. M. J. Treacy, K. B. Borisenko, The local structure of amor-phous silicon, Science 335, 950-953 (2012).
• [6] X. Liu, B. E. White Jr., R. O. Pohl, E. Iwanizcko, K. M. Jones, A. H. Mahan, B. N. Nelson, R. S. Crandall, S. Veprek, Amor-phous solid without low energy excitations, Phys. Rev. Lett. 78, 4418-4421 (1997).
• [7] X. Liu, R. O. Pohl, Low-energy excitations in amorphous films of silicon and germanium, Phys. Rev. B 58, 9067-9081 (1998).
• [8] D. R. Queen, X. Liu, J. Karel, T. H. Metcalf, F. Hellman, Excess specific heat in evaporated amorphous silicon, Phys. Rev. Lett. 110, 135901 (2013).
• [9] Y.-S. Park, H. Wang, Resolved-sideband and cryogenic cooling of an optomechanical resonator, Nat. Phys. 5, 489-493 (2009).
• [10] J. M. Martinis, K. B. Cooper, R. McDermott, M. Steffen, M. Ansmann, K. D. Osborn, K. Cicak, S. Oh, D. P. Pappas, R. W. Simmonds, C. C. Yu, Decoherence in josephson qubits from dielectric loss, Phys. Rev. Lett. 95, 210503 (2005).
• [11] B. E. White Jr., R. O. Pohl, Elastic properties of thin films, in S. P. Baker, C. A. Ross, P. H. Townsend, C. A. Volkert, and P. Borgesen (Eds.), Thin films: stresses and mechanical properties V, MRS Symposia Proceedings Vol. 356, Materials Research Society, Pittsburgh, 567-572 (1995).
• [12] C. L. Spiel, R. O. Pohl, A. T. Zehnder, Normal modes of a Si(100) double-paddle oscillator, Rev. Sci. Instrum. 72, 1482-1491 (2001).
• [13] L. B. Magalas, Determination of the logarithmic decrement in mechanical spectroscopy, Solid State Phenomena 115, 7-14 (2006).
• [14] M. Hopcroft, W. Nix, T. Kenny, What is the Young's modulus of silicon? J. Microelectromech. Sci. 19, 229-238 (2010).
• [15] B. H. Houston, D. M. Photiadis, M. H. Marcus, J. A. Bucaro, X. Liu, J. F. Vignola, Thermoelastic loss in microscale oscillators, Appl. Phys. Lett. 80, 1300-1302 (2002).
• [16] R. O. Pohl, X. Liu, E. Thompson, Low-temperature thermal con-ductivity and acoustic attenuation in amorphous solids, Rev. Mod. Phys. 74, 991-1013 (2002).
• [17] F. Hellman, Surface-induced ordering: A model for vapor-deposition growth of amorphous materials, Appl. Phys. Lett. 64, 1947-1949 (1994).
• [18] X. Liu, R. O. Pohl, S. Asher, R. S. Crandall, Contamination of silicon during ion-implantation and annealing, J. Non-Cryst. Solids 227, 407-410 (1998).
• [19] G. Bellessa, Frequency and temperature dependence of the sound velocity in amorphous materials at low temperatures, Phys. Rev. Lett. 40, 1456-1459 (1978).
• [20] B. E. White Jr., R. O. Pohl, Elastic properties of amorphous solids below 100 K, Z. Phys. B 100, 401-408 (1997).
• [21] D. Tielbürger, R. Merz, R. Ehrenfels, S. Hunklinger, Thermally activated relaxation processes in vitreous silica: An investigation by Brillouin scattering at high pressures, Phys. Rev. B 45, 2750-2760 (1992).
• [22] M. H. Cohen, G. S. Grest, Origin of low-temperature tunneling states in glasses, Phys. Rev. Lett. 45, 1271-1274 (1980).
• [23] C. A. Angell, Ten questions on glassformers, and a real space ‘excitations’ model with some answers on fragility and phase transitions, J. Phys. Condens. Matter 12, 6463-6475 (2000).