We present an experimental approach for cryogenic dielectric measurements on ultrathin insulating films. Based on a coplanar microwave waveguide design, we implement superconducting quarter-wave resonators with inductive coupling, which allows us to determine the real part ε1 of the dielectric function at gigahertz frequencies and sample thicknesses down to a few nanometers. We perform simulations to optimize resonator coupling and sensitivity, and we demonstrate the possibility to quantify ε1 with a conformal mapping technique in a wide sample-thickness and ε1-regime. Experimentally, we determine ε1 for various thin-film samples (photoresist, MgF2, and SiO2) in the thickness regime of nanometer up to micrometer. We find good correspondence with nominative values, and we identify the precision of the film thickness as our predominant error source. Additionally, we present a temperature-dependent measurement for a SrTiO3 bulk sample, using an in situ reference method to compensate for the temperature dependence of the superconducting resonator properties.

1.
S.
Guha
and
V.
Narayanan
,
Annu. Rev. Mater. Res.
39
,
181
(
2009
).
2.
L.
Martinu
and
D.
Poitras
,
J. Vac. Sci. Technol., A
18
,
2619
(
2000
).
3.
S.
Rogge
,
D.
Natelson
, and
D. D.
Osheroff
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
3136
(
1996
).
4.
N.
Setter
,
D.
Damjanovic
,
L.
Eng
,
G.
Fox
,
S.
Gevorgian
,
S.
Hong
,
A.
Kingon
,
H.
Kohlstedt
,
N. Y.
Park
,
G. B.
Stephenson
,
I.
Stolitchnov
,
A. K.
Taganstev
,
D. V.
Taylor
,
T.
Yamada
, and
S.
Streiffer
,
J. Appl. Phys.
100
,
051606
(
2006
).
5.
M.
Hering
,
M.
Scheffler
,
M.
Dressel
, and
H. v.
Löhneysen
,
Phys. Rev. B
75
,
205203
(
2007
).
6.
R.
Ramesh
and
N. A.
Spaldin
,
Nat. Mater.
6
,
21
(
2007
).
7.
C. N.
Works
,
J. Appl. Phys.
18
,
605
(
1947
).
8.
K. H.
Breeden
and
J. B.
Langley
,
Rev. Sci. Instrum.
40
,
1162
(
1969
).
9.
Y.
Yagil
,
P.
Gadenne
,
C.
Julien
, and
G.
Deutscher
,
Phys. Rev. B
46
,
2503
(
1992
).
10.
C.
Guo
,
G.
Rodriguez
,
A.
Lobad
, and
A. J.
Taylor
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
4493
(
2000
).
11.
M.
Hövel
,
B.
Gompf
, and
M.
Dressel
,
Phys. Rev. B
81
,
035402
(
2010
).
12.
J.
Krupka
,
Meas. Sci. Technol.
17
,
R55
(
2006
).
13.
E.
Langereis
,
S. B. S.
Heil
,
H. C. M.
Knoops
,
W.
Keuning
,
M. C. M.
van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
42
,
073001
(
2009
).
14.
Y.
Li
,
D.
Tsui
,
T.
Sajoto
,
L.
Engel
,
M.
Santos
, and
M.
Shayegan
,
Solid State Commun.
95
,
619
(
1995
).
15.
A. D.
Caviglia
,
S.
Gariglio
,
N.
Reyren
,
D.
Jaccard
,
T.
Schneider
,
M.
Gabay
,
S.
Thiel
,
G.
Hammerl
,
J.
Mannhart
, and
J. M.
Triscone
,
Nature
456
,
624
(
2008
).
16.
M.
Ovadia
,
D.
Kalok
,
I.
Tamir
,
S.
Mitra
,
B.
Sacepe
, and
D.
Shahar
,
Sci. Rep.
5
,
13503
(
2015
).
17.
U. S.
Pracht
,
N.
Bachar
,
L.
Benfatto
,
G.
Deutscher
,
E.
Farber
,
M.
Dressel
, and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. B
93
,
100503
(
2016
).
18.
M. V.
Feigelman
,
D. A.
Ivanov
, and
E.
Cuevas
,
New J. Phys.
20
,
053045
(
2018
).
19.
M.
Scheffler
,
M.
Dressel
,
M.
Jourdan
, and
H.
Adrian
,
Nature
438
,
1135
(
2005
).
20.
M.
Scheffler
,
M. M.
Felger
,
M.
Thiemann
,
D.
Hafner
,
K.
Schlegel
,
M.
Dressel
,
K. S.
Ilin
,
M.
Siegel
,
S.
Seiro
,
C.
Geibel
, and
F.
Steglich
,
Acta IMEKO
4
,
47
(
2015
).
21.
L.
Frunzio
,
A.
Wallraff
,
D.
Schuster
,
J.
Majer
, and
R.
Schoelkopf
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
15
,
860
(
2005
).
22.
M.
Göppl
,
A.
Fragner
,
M.
Baur
,
R.
Bianchetti
,
S.
Filipp
,
J. M.
Fink
,
P. J.
Leek
,
G.
Puebla
,
L.
Steffen
, and
A.
Wallraff
,
J. Appl. Phys.
104
,
113904
(
2008
).
23.
J.
Zmuidzinas
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
3
,
169
(
2012
).
24.
Y.
Wiemann
,
J.
Simmendinger
,
C.
Clauss
,
L.
Bogani
,
D.
Bothner
,
D.
Koelle
,
R.
Kleiner
,
M.
Dressel
, and
M.
Scheffler
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
193505
(
2015
).
25.
D.
Bothner
,
T.
Gaber
,
M.
Kemmler
,
D.
Koelle
,
R.
Kleiner
,
S.
Wünsch
, and
M.
Siegel
,
Phys. Rev. B
86
,
014517
(
2012
).
26.
N. G.
Ebensperger
,
M.
Thiemann
,
M.
Dressel
, and
M.
Scheffler
,
Supercond. Sci. Technol.
29
,
115004
(
2016
).
27.
L.
Grünhaupt
,
N.
Maleeva
,
S. T.
Skacel
,
M.
Calvo
,
F.
Levy-Bertrand
,
A. V.
Ustinov
,
H.
Rotzinger
,
A.
Monfardini
,
G.
Catelani
, and
I. M.
Pop
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
117001
(
2018
).
28.
A.
Wallraff
,
D. I.
Schuster
,
A.
Blais
,
L.
Frunzio
,
R.-S.
Huang
,
J.
Majer
,
S.
Kumar
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
431
,
162
(
2004
).
29.
M. H.
Devoret
and
R. J.
Schoelkopf
,
Science
339
,
1169
(
2013
).
30.
X.
Gu
,
A. F.
Kockum
,
A.
Miranowicz
,
Y.-X.
Liu
, and
F.
Nori
,
Phys. Rep.
718-719
,
1
(
2017
).
31.
P. K.
Day
,
H. G.
LeDuc
,
B. A.
Mazin
,
A.
Vayonakis
, and
J.
Zmuidzinas
,
Nature
425
,
817
(
2003
).
32.
E. S.
Battistelli
,
F.
Bellini
,
C.
Bucci
,
M.
Calvo
,
L.
Cardani
,
N.
Casali
,
M. G.
Castellano
,
I.
Colantoni
,
A.
Coppolecchia
,
C.
Cosmelli
,
A.
Cruciani
,
P.
de Bernardis
,
S.
Di Domizio
,
A.
D’Addabbo
,
M.
Martinez
,
S.
Masi
,
L.
Pagnanini
,
C.
Tomei
, and
M.
Vignati
,
Eur. Phys. J. C
75
,
353
(
2015
).
33.
R.
Adam
,
A.
Adane
,
P. A. R.
Ade
,
P.
André
,
A.
Andrianasolo
,
H.
Aussel
,
A.
Beelen
,
A.
Benoît
,
A.
Bideaud
,
N.
Billot
,
O.
Bourrion
,
A.
Bracco
,
M.
Calvo
,
A.
Catalano
,
G.
Coiffard
,
B.
Comis
,
M.
De Petris
,
F.-X.
Désert
,
S.
Doyle
,
E. F. C.
Driessen
,
R.
Evans
,
J.
Goupy
,
C.
Kramer
,
G.
Lagache
,
S.
Leclercq
,
J.-P.
Leggeri
,
J.-F.
Lestrade
,
J. F.
Macías-Pérez
,
P.
Mauskopf
,
F.
Mayet
,
A.
Maury
,
A.
Monfardini
,
S.
Navarro
,
E.
Pascale
,
L.
Perotto
,
G.
Pisano
,
N.
Ponthieu
,
V.
Revéret
,
A.
Rigby
,
A.
Ritacco
,
C.
Romero
,
H.
Roussel
,
F.
Ruppin
,
K.
Schuster
,
A.
Sievers
,
S.
Triqueneaux
,
C.
Tucker
, and
R.
Zylka
,
Astron. Astrophys.
609
,
A115
(
2018
).
34.
M.
Scheffler
,
K.
Schlegel
,
C.
Clauss
,
D.
Hafner
,
C.
Fella
,
M.
Dressel
,
M.
Jourdan
,
J.
Sichelschmidt
,
C.
Krellner
,
C.
Geibel
, and
F.
Steglich
,
Phys. Status Solidi B
250
,
439
(
2013
).
35.
M.
Thiemann
,
M. H.
Beutel
,
M.
Dressel
,
N. R.
Lee-Hone
,
D. M.
Broun
,
E.
Fillis-Tsirakis
,
H.
Boschker
,
J.
Mannhart
, and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
237002
(
2018
).
36.
T.
Konaka
,
M.
Sato
,
H.
Asano
, and
S.
Kubo
,
J. Supercond.
4
,
283
(
1991
).
37.
J.
Krupka
,
R. G.
Geyer
,
M.
Kuhn
, and
J. H.
Hinken
,
IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
42
,
1886
(
1994
).
38.
J.
Krupka
,
D.
Krzysztof
,
M.
Tobar
,
J.
Hartnett
, and
R. G.
Geyer
,
Meas. Sci. Technol.
10
,
387
(
1999
).
39.
R. N.
Simons
,
Coplanar Waveguide Circuits, Components, and Systems
(
John Wiley & Sons, Inc.
,
2001
).
40.
K.
Geerlings
,
S.
Shankar
,
E.
Edwards
,
L.
Frunzio
,
R. J.
Schoelkopf
, and
M. H.
Devoret
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
192601
(
2012
).
41.
I.
Besedin
and
A. P.
Menushenkov
,
EPJ Quantum Technol.
5
,
2
(
2018
).
42.
D.
Hafner
,
M.
Dressel
, and
M.
Scheffler
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
014702
(
2014
).
43.
C.
Clauss
,
D.
Bothner
,
D.
Koelle
,
R.
Kleiner
,
L.
Bogani
,
M.
Scheffler
, and
M.
Dressel
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
162601
(
2013
).
44.
D. S.
Rausch
,
M.
Thiemann
,
M.
Dressel
,
D.
Bothner
,
D.
Koelle
,
R.
Kleiner
, and
M.
Scheffler
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
51
,
465301
(
2018
).
45.
A. D.
O’Connell
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Hofheinz
,
N.
Katz
,
E.
Lucero
,
C.
McKenney
,
M.
Neeley
,
H.
Wang
,
E. M.
Weig
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
112903
(
2008
).
46.
C. C.
Chin
,
D. E.
Oates
,
G.
Dresselhaus
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Phys. Rev. B
45
,
4788
(
1992
).
47.
M.
Zinßer
,
K.
Schlegel
,
M.
Dressel
, and
M.
Scheffler
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
034704
(
2019
).
48.
MicroChemicals GmbH, 89079 Ulm, Germany, 2019.
49.
J.
Fontanella
,
C.
Andeen
, and
D.
Schuele
,
J. Appl. Phys.
45
,
2852
(
1974
).
50.
M. V.
Jacob
,
J.
Krupka
,
J.
Mazierska
, and
G. S.
Woods
,
Mater. Sci. Eng.: A
427
,
175
(
2006
).
51.
G.
Hammer
,
S.
Wuensch
,
M.
Roesch
,
K.
Ilin
,
E.
Crocoll
, and
M.
Siegel
,
Supercond. Sci. Technol.
20
,
S408
(
2007
).
52.
R.
Barends
,
J. J. A.
Baselmans
,
J. N.
Hovenier
,
J. R.
Gao
,
S. J. C.
Yates
,
T. M.
Klapwijk
, and
H. F. C.
Hoevers
,
IEEE Trans. Appl. Superconduct.
17
,
263
(
2007
).
54.
T.
Sakudo
and
H.
Unoki
,
Phys. Rev. Lett.
26
,
851
(
1971
).
55.
K. A.
Müller
and
H.
Burkard
,
Phys. Rev. B
19
,
3593
(
1979
).
56.
R.
Viana
,
P.
Lunkenheimer
,
J.
Hemberger
,
R.
Böhmer
, and
A.
Loidl
,
Phys. Rev. B
50
,
601
(
1994
).
57.
S. E.
Rowley
,
L. J.
Spalek
,
R. P.
Smith
,
M. P. M.
Dean
,
M.
Itoh
,
J. F.
Scott
,
G. G.
Lonzarich
, and
S. S.
Saxena
,
Nat. Phys.
10
,
367
(
2014
).
58.
M.
Thiemann
,
D.
Bothner
,
D.
Koelle
,
R.
Kleiner
,
M.
Dressel
, and
M.
Scheffler
,
J. Phys.: Conf. Ser.
568
,
022043
(
2014
).
59.
F.
London
,
H.
London
, and
F. A.
Lindemann
,
Proc. R. Soc. A
149
,
71
(
1935
).
60.
D.
Davidovikj
,
N.
Manca
,
H. S. J.
van der Zant
,
A. D.
Caviglia
, and
G. A.
Steele
,
Phys. Rev. B
95
,
214513
(
2017
).
61.
J.
Delahaye
,
J.
Honoré
, and
T.
Grenet
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
186602
(
2011
).
62.
F.
Levy-Bertrand
,
T.
Klein
,
T.
Grenet
,
O.
Dupré
,
A.
Benoît
,
A.
Bideaud
,
O.
Bourrion
,
M.
Calvo
,
A.
Catalano
,
A.
Gomez
,
J.
Goupy
,
L.
Grünhaupt
,
U. v.
Luepke
,
N.
Maleeva
,
F.
Valenti
,
I. M.
Pop
, and
A.
Monfardini
,
Phys. Rev. B
99
,
094506
(
2019
).
63.
M. H.
Beutel
,
N. G.
Ebensperger
,
M.
Thiemann
,
G.
Untereiner
,
V.
Fritz
,
M.
Javaheri Rahim
,
J.
Nägele
,
R.
Rösslhuber
,
M.
Dressel
, and
M.
Scheffler
,
Supercond. Sci. Technol.
29
,
085011
(
2016
).
64.
R.
Crane
,
N. P.
Armitage
,
A.
Johansson
,
G.
Sambandamurthy
,
D.
Shahar
, and
G.
Grüner
,
Phys. Rev. B
75
,
094506
(
2007
).
65.
M. V.
Feigelman
,
L. B.
Ioffe
,
V. E.
Kravtsov
, and
E.
Cuevas
,
Ann. Phys.
325
,
1390
(
2010
).
66.
M.
Javaheri Rahim
,
T.
Lehleiter
,
D.
Bothner
,
C.
Krellner
,
D.
Koelle
,
R.
Kleiner
,
M.
Dressel
, and
M.
Scheffler
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
49
,
395501
(
2016
).
67.
A.
Ghirri
,
C.
Bonizzoni
,
D.
Gerace
,
S.
Sanna
,
A.
Cassinese
, and
M.
Affronte
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
184101
(
2015
).
You do not currently have access to this content.