脉冲聚焦离子束诱导沉积技术直接制备碳化钨超导纳米线及其光子探测应用研究

本研究通过脉冲聚焦离子束诱导沉积(PFIBID)技术，首次实现了碳化钨(WC)超导纳米线的直接制备与光电表征。该纳米线在4.71 K展现超导特性，并通过低温原位光响应图谱揭示了热点分布规律。研究突破了传统纳米加工技术限制，为量子器件开发提供了新型超导材料制备方案，在单光子探测器(SNSPD)领域具有重要应用潜力。

　　

在量子技术蓬勃发展的今天，超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其近乎完美的探测效率成为光学量子计算的核心组件。然而传统电子束光刻技术面临制备成本高、易产生缺陷等瓶颈，特别是对于碳化钨(WC)这类具有较高临界温度(T_c
)的超导材料，如何实现高精度直接加工仍是领域难题。

针对这一挑战，来自国内的研究团队在《Materials Today Quantum》发表创新成果。研究人员采用脉冲聚焦离子束诱导沉积(PFIBID)技术，以钨六羰基化合物(W(CO)₆
)为前驱体，在SiO₂
/Si基底上直接制备出厚度仅50 nm的WC超导纳米线。通过整合低温探针台、锁相放大器和时间相关单光子计数系统，首次实现了对WC纳米线光电响应的系统表征。

关键技术包括：1) 30 keV Ga⁺
离子束的脉冲沉积工艺；2) 3.8 K低温环境下的电流-电压特性测试；3) 640 nm脉冲激光激发下的动态响应测量；4) 能量色散X射线光谱(EDX)成分分析；5) 纳米级空间分辨率的光响应图谱扫描技术。

研究结果显示：制备的纳米线具有4.71±0.15 K的超导转变温度，临界电流密度J_c
达到(0.93±0.36)×10⁵
A/cm²
。通过1 MHz重复频率的激光激发实验，观察到7.2 ns的快速响应时间。特别值得注意的是，在0.75I_c
至0.90I_c
偏置区间内，器件展现出稳定的多光子探测特性，每输出脉冲需要吸收约9个光子才能触发响应。

低温光响应图谱揭示了纳米线的空间不均匀性：在I_b
≈0.63I_c
时仅局部区域响应，而接近I_c
时全线段均参与探测。这种特性与AFM揭示的厚度波动(±10 nm)和EDX检测到的成分差异(W含量约34 at%)密切相关，证实了材料无序性对超导性能的关键影响。

该研究首次证实了PFIBID-WC纳米线的光子探测能力，其重要意义体现在三个方面：首先，相比传统光刻技术，直接沉积工艺避免了有机溶剂污染，更适合量子器件的洁净制备；其次，4.71 K的T_c
使器件能在相对易得的制冷条件下工作；最后，研究建立的原位表征方法为超导纳米器件性能优化提供了新工具。尽管当前器件尚处多光子工作模式，但通过将厚度减至25 nm以下，有望实现单光子探测，这将为量子通信和暗物质探测等领域提供新的器件选择。