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雷 射 蒸 鍍

材 料 分 析

晶 體 成 長

超導量子干涉元件

  雷 射 蒸 鍍

 
 
硫化物薄膜
 
 
摘要

許多不同的材料系統,似乎都可以歸屬為具有特殊離子性結構通道的材料。離子性通道化合物其原子層的間距可藉由結構設計或崁入(intercalation)離子與分子來進行調整。離子通道化合物的晶格中,電子結構可能在離子或分子進出時產生巨大改變,進而產生如超導或快離子導體等特殊物理性質。由於尺寸以10A 上下較多,一般需經由較特殊的合成方式來進行,本研究是以雷射蒸鍍三元金屬鉬硫化合物(希弗立相)的超導薄膜來進行這一方面的瞭解、探討。
 
 
簡介
 
 
硫屬化合物,多年來即為科技研發的重點材料系統。而金屬-鉬-硫這類化合物的晶格是菱面體,Mo6S8菱面體中的硫占在角的位置上,鉬在面心位置上,金屬如銅原子等也處在菱面體的角位置上,而整個Mo6S8菱面體在後一菱面體內。這種結構真是令人歎為觀止,自然界中這些元素的原子竟可構成這樣一個美麗而和諧的立體圖案。然而,這類結構的化合物除了穩定外,還有很高的上臨界場(Hc2),在30~60特斯拉之間。希弗立相的這些特性使得人們的視野突破二元化合物的框框,而可以得到種類繁多的超導化合物。
 
實驗

靶材燒結:先將銅、鉬、硫粉末研磨均勻壓製成錠狀,以1000度C真空預燒30小時,迅速冷卻至室溫,再次研磨壓錠,以1100度C真空燒結40小時,此即為鍍膜所需的靶材。而燒結爐體和靶材Cu2Mo6S8的X射線繞射圖展示如下:
 


 
雷射鍍膜:腔體真空度維持在0.0~2.0mTorr間,基板加熱至700oC,靶材與基板間距約45mm,以準分子脈衝雷射波長248nm、能量密度約5J/cm2將Cu2Mo6S8靶材表面熔蝕形成電漿,此高溫離子氣體迅速的噴佈在其前方的氧化鋁基板上按其單晶方向(-1012)堆疊,最後再以15度C/min的降溫速率冷凝薄膜形成三元銅鉬硫化合物的希弗立相。下圖為脈衝雷射蒸鍍薄膜的示意圖。

 
 
而下圖的薄膜X射線繞射數據顯示,其磊晶方向偏好在(100)的方向生長,在Cu2Mo6S8晶體結構中,Mo原子佔據在八面體的六個角上,組成一個比較靠攏的鉬原子團,此原子團內鉬原子間距離約2.70埃(此距離在純鉬元素晶格內約2.73埃),所以在薄膜結構亦觀察到此鉬原子的效應。

 
 
數據量測與討論

最近在金屬硫屬化合物方面的超導體與快離子導體研究有許多突破性的結果,這些特殊性質在在說明了我們可以藉由對金屬硫屬化合物的薄膜化來做更進一步的研究與理解,探討其新穎的物理特性。

首先以SEM來檢視薄膜表面品質,由圖顯示在希弗立相的超導薄膜(灰黑色)上出現小顆粒(白色),此為使用雷射鍍膜法所產生的Mo析出物。


 
 
比較薄膜和塊材之電阻對溫度的變化得知,薄膜化的效應將使得銅鉬硫化合物的電性行為產生劇烈的改變。
雖然希弗立相的臨界溫度要比YBa2Cu3O7低的多,同時其燒結也困難的多,但是它在所有傳統超導體中是最能承受高磁場的材料,以下特別就銅鉬硫薄膜在磁場作用下做一觀察:
 
實驗數據指出薄膜在9特斯拉(Tesla)高磁場下,依舊保有其應有的超導特性,符合以往對其化合物塊材的基本認知。
 
結論

三元銅鉬硫化合物的超導觀察,顯然與電子強關聯作用密切相關,這是過去多年來材料研究的重點之一。然而,本研究將此材料薄膜化後,更使得上述強關聯作用起了劇烈的改變。另外,此等材料具有特殊離子性結構通道之事實,所可能引致離子傳導對物性影響的問題,過去從未被仔細的探討。然而薄膜化後,亦使得這一方面的觀察、分析更為容易。
 
 
致謝

本研究由國科會提供經費資助 (計畫編號:NSC95-2745-M-001-010)
   

             

c2008 Company Institute of Physics, Superconductor Lab