Een team van onderzoekers, onder leiding van Yi-Hsun Chen en twaalf co-auteurs, heeft een innovatieve methode gepresenteerd voor het produceren van dunne films van titaniumnitride (TiN). In een publicatie van 1 oktober 2026 wordt beschreven hoe de integratie van waterstofplasma binnen het proces van atomic layer deposition (ALD) de structurele kwaliteit en de supergeleidende eigenschappen van dit materiaal aanzienlijk verbetert.
De techniek van atomic layer deposition staat in de halfgeleiderindustrie bekend om het vermogen om zeer nauwkeurige en conforme lagen aan te brengen. Echter, bij de toepassing voor supergeleidende quantumcircuits bleken er uitdagingen te zijn. Volgens de bevindingen in een artikel op arxiv.org is het essentieel om bij extreem lage temperaturen de controle te behouden over de stoichiometrie, de kristalstructuur en de wanorde op de interfaces.
Om deze hindernissen te overwinnen, hebben de wetenschappers een stap met waterstofplasma toegevoegd aan het proces. Dit plasma beïnvloedt de chemie van het oppervlak tijdens elke cyclus van de depositie, waardoor onzuiverheden die voortkomen uit de gebruikte precursoren effectief worden tegengegaan. De inzet van waterstof in dit proces is strategisch; zoals uitgelegd door chemistrylearner.com is waterstof het eerste element van het periodiek systeem en een kleurloos gas dat in chemische processen vaak wordt gebruikt vanwege zijn specifieke reactiviteit.
De effectiviteit van deze nieuwe aanpak is getoetst met diverse geavanceerde analysetechnieken. Via synchrotron röntgenverstrooiing stelden de onderzoekers vast dat er sprake is van semi-coherente epitaxie van TiN op c-plane saffier. Dit houdt in dat de film groeit in discrete kristallografische domeinen, waarbij de structurele wanorde op lange afstand minimaal blijft. Daarnaast bevestigden neutronenreflectometrie en röntgenspectroscopie dat er nauwelijks zuurstofgerelateerde wanorde in de film aanwezig is. Opvallend is dat er, ondanks het gebruik van waterstofplasma, geen substantiële hoeveelheid waterstof in het materiaal is opgenomen.
De resulterende titaniumnitride-films vertonen specifieke technische eigenschappen die relevant zijn voor cryogene toepassingen. Er is een supergeleidende transitie waargenomen bij een temperatuur van 2,2 K. Daarnaast is er een supergeleidende coherentielengte van 14,6 nm gemeten, wat nauw aansluit bij de kristalcoherentielengte, en een kinetische inductantie van 15 pH/sq.
Deze doorbraak heeft belangrijke implicaties voor de toekomst van de quantumtechnologie. De resultaten tonen aan dat de nanometrische precisie van ALD kan worden toegepast op materialen die cruciaal zijn voor cryogene systemen. Door de ondersteuning van waterstofplasma is het nu mogelijk om structureel geordende supergeleidende TiN-films te vervaardigen.
In de publicatie op stellen de auteurs dat deze methode een nieuwe route opent voor de epitaxie van supergeleidende materialen. Hierbij wordt de precisie van moderne chipfabricage gecombineerd met de strikte eisen die quantummechanische systemen stellen. Het vermogen om de kristalstructuur te beheersen en onzuiverheden te minimaliseren, wordt gezien als een fundamentele stap richting de ontwikkeling van efficiëntere en stabielere quantumcircuits. De unieke eigenschappen van waterstof, zoals beschreven op , blijken hierbij een sleutelrol te spelen in het sturen van de oppervlaktechemie tijdens de groei van de film.