Amorphous Dielectric Thin Films with Extremely Low Mechanical Loss

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.

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.