Suppressing Oxides Growth to Enhance Quality Factor in Superconducting Coplanar Waveguide Resonators. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

	PDF (Master thesis) thesis final.docx - Accepted Version Download (6MB)
	PDF thesis final. eprintpdf.pdf Restricted to Repository staff only until 25 December 2025. Download (3MB)

Arabic Abstract

في مجال الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل، تُعد الرنانات ذات الموجة المشتركة (CPW) والكيوبتات مكونات أساسية، لكنها تعاني من فقدان الطاقة بسبب الأنظمة ذات المستويين (TLS) الموجودة في المواد العازلة السائبة أو على السطح. تُستخدم رنانات CPW بشكل خاص كمنصات قيمة لدراسة الخسائر المادية في الدوائر فائقة التوصيل تحت إثارات كمومية مفردة. يهدف هذا العمل إلى معالجة الخسائر الناتجة عن الأنظمة ذات المستويين من خلال الجمع بين التجارب والمحاكاة، مع التركيز على تحسين عوامل جودة الرنانات وتقليل تكوّن الأكاسيد عند الواجهات الهوائية الرئيسية. تم طلاء شرائح السيليكون بطبقة رقيقة من الألمنيوم حديثة التحضير ثم معالجتها باستخدام طبقات ذاتية التجميع (SAMs) عبر غمرها في محاليل خاصة. أظهرت قياسات مطيافية الأشعة السينية (XPS) نجاح ارتباط الطبقات ذاتية التجميع بسطح الألمنيوم وتثبيط نمو الأكاسيد. علاوة على ذلك، أثبتت القياسات باستخدام XPS وزاوية التلامس أن تأثير التثبيط يظل مستقرًا حتى بعد مرور 15 يومًا من التعرض للظروف البيئية. كما دعمت تحليلات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) هذه النتائج من خلال إظهار ارتباط الطبقات ذاتية التجميع بسطح الألمنيوم وتثبيط نمو الأكاسيد. أما في جانب المحاكاة، فقد تم تحليل الخسائر الناتجة عن الأنظمة ذات المستويين عبر تعديل واجهات رنانات CPW باستخدام مواد عازلة منخفضة الخسارة وتقنيات الحفر، مما أدى إلى تحسينات كبيرة في عوامل جودة الرنانات. توفر هذه الدراسة التي تجمع بين التجارب والمحاكاة إطار عمل قويًا لمعالجة الخسائر العازلة في الدوائر الكمومية فائقة التوصيل. كما تُظهر المعالجة باستخدام الطبقات ذاتية التجميع (SAM) كطريقة واعدة لتقليل خسائر الموجات الدقيقة وتحسين أداء الدوائر الكمومية فائقة التوصيل المعتمدة على الألمنيوم.

English Abstract

In superconducting quantum computing, coplanar-waveguide resonators and qubits are essential components, but they suffer from energy loss due to two-level systems (TLS) in bulk and interfacial dielectrics. CPW resonators, in particular, serve as valuable platforms for probing material losses in superconducting circuits under single-quantum excitations. This work combines experimental and simulation approaches to address TLS-induced losses, focusing on improving resonator quality factors and by minimizing oxide formation at key air-interfaces. Freshly prepared Al thin films were passivated with SAMs by immersing the Al-coated silicon substrates in SAM solutions. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirms the successful binding of the SAM and the suppression of oxide growth. Moreover, the passivation remains stable after aging for 15 days in ambient conditions, as evidenced by XPS and contact angle measurements. Scanning electron microscopy (SEM) analyses further support the binding of the SAM to the Al surface and suppression of oxides growth. The simulation study investigates TLS losses by modifying various CPW resonator interfaces with low-loss dielectric materials and etching methods, yielding significant improvements in resonator quality factors. Together, these simulation and experimental insights provide a robust framework for addressing dielectric losses in superconducting quantum circuits. SAM-based passivation offers a promising method for reducing microwave loss and improving the performance of Al-based superconducting quantum circuits.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Rao, Saleem
Committee Members:	Alam, Khan and Felemban, Muhamad
Depositing User:	OMAR SALEH (g202202760)
Date Deposited:	26 Dec 2024 06:40
Last Modified:	26 Dec 2024 06:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143143