HomeChineseEnglish  

雷 射 蒸 鍍

材 料 分 析

晶 體 成 長

超導量子干涉元件

  雷 射 蒸 鍍

 
 
氧化物薄膜
 
 
一.研究背景:

我在研究所時代,碩士論文是探討鍶銅氧(La2-xSrxCuO4-δ, X:雜量)高溫超導體單晶在超導態的電性傳輸性質與磁性特性。後來到中央研究院當國防役研究助理,期間研究過一些有關超導體的主題,如鋰鈦氧 (Li(1+x)Ti2O4) 超導體在高磁場下的傳輸現象、電場效應對高溫超導薄膜(YB2Cu3O7-δ)轉變溫度的影響、鍶銅氧(La2-xSrxCuO4-δ, X:雜量)高溫超導體離子導電度的量測、非超導相奈米粒子雜對高溫超導薄膜(YB2Cu3O7-δ)磁通釘扎的影響(對超導電流密度的影響)。國防役後期,主要的興趣著重在電子型(n-type)高溫超導薄膜的製作與超導性研究,進而將電子型(n-type)和電洞型(p-type) 高溫超導體的界面接合在一起形成所謂高溫超導p-n接面結(high Tc superconducting p-n junction),我們主要的興趣擺在p、n type的材料都是屬於高溫超導體材料,(因為對於p type是高溫超導體材料而n type是低溫超導體材料已有不少的研究)[1,2],所以此研究計畫的主題,主要是我在中央研究院所做實驗的延續。
 
 
二.研究動機與目的:

從半導體物理的知識知道,在一般的本質半導體中入雜質原子,可以形成主要導電載子是電洞的電洞型(p-type)半導體和主要導電載子是電子的電子型(n-type)半導體,端視我們所入的雜質原子種類而定。若將電洞型(p-type) 半導體和電子型(n-type)半導體以某種方式將界面接合在一起,由於兩邊載子濃度不同而引起載子擴散,等到達平衡時會在界面區形成空乏層(depletion layer),最後就形成所謂的半導體p-n接面結(semiconducting p-n junction)。我們知道半導體p-n接面結具有許多重要的特性,如整流功能和發光效應(發光二極體)。至於對高溫超導體而言,材料也具有主要導電載子是電洞的電洞型(p-type) 超導體(如YB2Cu3O7-δ、(La2-xSrxCuO4+δ)和主要導電載子是電子的電子型(n-type) 超導體(如Pr2-xCexCuO4-δ、Nd2-xCexCuO4-δ),同樣我們也可以將電洞型(p-type) 超導體和電子型(n-type) 超導體,以某種方式接合在一起,形成所謂高溫超導p-n接面結(high Tc superconducting p-n junction )。若我們能成功製作高溫超導p-n接面結,研究動機與目的當然是著重在其是否和半導體p-n接面結,具有相同的特性 (如空乏層、整流、發光等特性)。從理論的觀點預測[3],在正常態時高溫超導p-n接面結的電壓-電流特性曲線(I-V curve)是和半導體物理中的隧道二極體(tunneling diodes)相類似;而在超導態時高溫超導p-n接面結的電壓-電流特性曲線(I-V curve) 類似於傳統的約瑟芬接面結(Josephson junction),具有超導電流,而其超導電流和IcRn (Ic:超導電流;Rn:正常態電阻)乘積值,因某些本質的原因會比傳統的約瑟芬接面結(Josephson junction)小很多;而且其超導電流也會受到磁場的影響(diffraction-like magnetic field dependence),所以有了高溫超導p-n接面結的樣品,我們可以驗證理論的預測是否正確。同時,我們亦可利用其它實驗方式,來探討1.高溫超導p-n接面結在正常態和超導態的界面性質(如界面隨熱退火(annealing effect)所產生的變化),2.高溫超導p-n接面結pair wave function的相相干(phase coherence)效應,3.高溫超導p-n接面結經照光之後所產生的效應。最後研究利用高溫超導p-n接面結製作奇異電子元件(novel device)的可行性。
 
 
三.研究方法與設計:

我們的實驗所採用的p-type高溫超導材料是釔鋇銅氧(YB2Cu3O7-δ 簡稱:YBCO) ;而n-type高溫超導材料是鐠鈰銅氧(Pr2-xCexCuO4-δ X=0.15 簡稱:PCCO);所採用的基板(substrate)是鈦酸鍶(SrTiO3簡稱:STO)。我們利用雷射沉積技術 (laser deposition technique)[4]來製作YBCO/PCCO bilayer junction,而雷射沉積技術的原理是利用雷射光束照射靶材,當雷射光束照射到靶材表面時會瞬間加熱靶材,並使靶材物質氣化,其噴射出的氣化物質(plume)會直接沉積在加熱的基板上,如圖一所示,實驗所用的靶材是用固態燒結法製作而成。因為YBCO是需要在有氧的環境中成長,而PCCO是需要在缺氧的環境中成長,其製作條件是相互矛盾的,所以要製作YBCO/PCCO bilayer junction 其實是具極大的挑戰。我在中央研究院花了很多的時間在找尋YBCO/PCCO bilayer junction樣品的製程條件,為了克服這個困難,我們採用笑氣(N2O)當反應氣體。樣品的製作過程是在溫度800o C、200 mtorr N2O的環境下濺鍍n-type PCCO,再來將溫度降至750o C於200 mtorr N2O的環境下,將p-type YBCO濺鍍於n-type的PCCO之上,然後將溫度降至400o C持溫退火(annealing)60分鐘,最後當溫度降至室溫時樣品便製作完成。當YBCO/PCCO bilayer junction 的樣品製作完成之後,為了做電性量測,我們用濕式蝕刻法將YBCO蝕刻掉一半,我們的 junction面積大約2mm×3mmm,是屬於大面積的 junction。
 


 
四.實驗的一些結果:

我們已經成功地利用雷射沉積技術(laser deposition technique) 製作
YBCO/PCCO bilayer junction,在此我們探討實驗的一些初步結果,圖二是
YBCO/PCCO bilayer junction 的x-ray繞射圖(x-ray diffraction pattern),PCCO
Layer和YBCO layer 的繞射?(diffraction peak)分別用P(hkl)、Y(hkl)來表示,從x-ray 繞射圖我們只觀察到(00l)的繞射,顯示YBCO/PCCO bilayer junction是朝c軸磊晶成長。圖三是YBCO/PCCO bilayer junction 的高解析TEM picture,從高解析TEM picture, 我們觀察到YBCO layer和PCCO layer的界面還蠻sharp,而YBCO layer和PCCO layer都是一層一層磊晶成長。所以從x-ray 繞射圖和高解析TEM picture,可以確定以雷射沉積技術(laser deposition technique) 製作YBCO/PCCO bilayer junction是可行的。


 
 
圖四是YBCO/PCCO bilayer junction的電阻-溫度關係曲線(R-T curve),我們採用的方式是四點量測法(four probe method),如圖五所示。從圖四我們觀察到(R-T curve)有兩個step,這兩個step分別對應到YBCO layer和PCCO layer的超導轉變溫度,從此電阻-溫度關係曲線(R-T curve),我們可以確定電流是通過YBCO layer和PCCO layer,及其界面(interface)。圖六是YBCO/PCCO bilayer junction的電壓-電流特性曲線(I-V curve),從此電壓-電流特性曲線(I-V curve),我們觀察到YBCO/PCCO bilayer junction具有超導電流(supercurrent),初步估算此YBCO/PCCO bilayer junction的超導電流密度(supercurrent density)是很小的。當我們對YBCO/PCCO bilayer junction施加磁場時,我們觀察不到磁場對超導電流(supercurrent)的影響,此結果和理論的預測是有所出入的,或許我們需要再進一步去改善樣品的品質,以便釐清理論預測和實驗結果的關係。

 
 
五.未來的方向:

(1)希望能改善製程條件製作高品質的高溫超導p-n接面結,以期對其物理特性能有清楚的解。
(2)我們可以改變不同的p-type、n-type高溫超導材料,探討不同的高溫超導p-n接面結,是否有不同的物理特性。
(3)因為我們現在的高溫超導p-n接面結是屬於大面積的junction,對於電性量測時可能造成電流分佈不均勻,所以可以將junction的面積做小,以便對量測有較清楚的釐清,同時可以探討不同的junction面積,其界面性質有何不同。
(4)因為本實驗的高溫超導p-n接面結是屬於c軸方向,其相干長度(coherence length)比較小,所以pair wave function 的相干程度也較小,所以我們也可以試圖製作ab方向的高溫超導p-n接面結(ramp-type junction)。
(5)我們可以對高溫超導p-n接面結的兩極施加電壓,觀察其是否具有發光的現象,以期製作以高溫超導p-n接面結為基礎的奇異電子元件。


 
六.參考文獻:

(1)M. N. Kneene et al., Nature 430, 210 (1989).
(2)R. Gross et al., Physica C 166, 277 (1990).
(3)J. Mannhart et al., Physca C 216 , 401 (1993).
(4)S. N. Mao et al., Appl. Phys. Lett. 61, 2356 (1992).

   

             

c2008 Company Institute of Physics, Superconductor Lab