本實驗將研究龐磁阻材料 La0.7Sr0.3MnO3 / La0.5Ca0.5MnO3超薄雙 層異質結構的磁性與電性特性。本章節將說明實驗材料製作、薄膜製 作步驟及量測儀器簡介。
3-1 靶材製作
製備 La0.5Ca0.5MnO3的靶材是利用高溫燒結法，製作流程如圖 3-1 所示。將 La2O3、CaCO3、MnCO3 粉末依照化學反應法之比例進行調 配，研磨均勻混合後，放入高溫爐中燒結，燒結時之升溫速率 6 ℃/
min，持溫溫度為 1400 ℃，持溫 40 小時。燒結完將其搗碎研磨均勻 後再次燒結，反覆三次後，即可壓成錠進行燒結，同樣反覆進行三次 後即完成靶材的製作。
圖 3-1 靶材製作流程。
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(3) 抽真空：將烤乾的基板與靶材放入真空腔體內，並將 thermal couple 插入鋼板內，對好雷射光與氧氣噴嘴調整到適當位置之後，
就可以透過機械幫浦與渦輪幫浦將真空度抽至約 10-7 torr。
(4) 升溫：開啟加熱器，以升溫速率 10℃/min，將溫度升至鍍膜溫度，
接著通入氧氣至鍍膜氧壓後，開啟靶材旋轉馬達，即可開始鍍膜。
(5) 雷射蒸鍍條件如下：
La0.5Ca0.5MnO3薄膜：雷射能量 300 mJ、蒸鍍溫度為 750℃、脈衝 重覆率 5 Hz，氧壓 0.4 torr、脈衝雷射次數 1800 pulses。
La0.7Sr0.3MnO3薄膜：雷射能量 300 mJ、蒸鍍溫度為 750℃、脈衝 重覆率 5 Hz，氧壓 0.3 torr、脈衝雷射次數 100~500 pulses。
(6) 蒸鍍完成後，關閉加熱器並通入大量的液態氧至溢出真空腔體，
用淬冷方式(quench)降溫至約 60℃後取出樣品，完成蒸鍍過程。
圖 3-2 鍍膜雷射系統裝置圖。
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3-3-1 X 光繞射 (X-ray diffraction，XRD)
利用 X-ray 晶格繞射，可以檢視薄膜樣品的晶格結構與軸向。
X-ray 入射進入晶格有週期性排列的樣品時，若條件符合布拉格 (Bragg)繞射原理(如圖 3-3)，就會產生建設性干涉，而在偵測器接收 到一繞射峰值訊號：
2dsinθ= nλ (3-1)
圖 3-3 布拉格繞射示意圖。
其中
d 為繞射晶格與薄膜表面平行的晶格平面間距；
θ為Ｘ-ray 與樣品之間的夾角；
λ為入射光波長；
n 為整數。
系統入射光角度θ，可由 0°掃到 45°，而偵測器的角度 2θ則可 由 0°掃到 90°，再將所得到的繞射強度與角度的關係圖，比對資料庫 之各材料的繞射角度與強度，即可知道樣品的晶格結構。
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3-3-2 原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope)
自 1980 年代 Binnig 和 Rohrer 發明了掃描穿隧顯微術後，一系 列的掃描探針技術便隨著衍生出來。這類顯微術的特徵是，將一根微 小的懸臂各定在一端，另一端由尺寸極細微的探針接觸樣本的表面進 行掃描，藉以了解其表面形貌與結構。原子力顯微鏡便是其中一種，
其原理是利用 XY 軸壓電平台，以其探針原子與樣本表面原子之間不 同的作用力做為回饋，控制探針在 Z 軸方向上的位置，主要可分為三 種不同的操作模式：接觸式、非接觸式、輕敲式。
本實驗是接觸式的操作模式(圖 3-4)，探針與樣品表面的作用力 為原子之間的排斥力。由於在接觸式的操作模式下，探針與樣品之間 的距離最短，約幾奈米，所以得到的解析度最佳，亦最接近真實的表 面形貌為其優點。但由於針尖尺寸極小，近距離的接觸容易造成樣品 的損壞，此為其缺點。
圖 3-4 原子力顯微鏡示意圖[33]。
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3-3-3 α-step
利用此儀器來量測薄膜的厚度。在鍍膜時，將要鍍的基板用矽 基板蓋上一個範圍，大約 2~3mm，即可利用α-step 量測其高度差，
得知薄膜的厚度。步驟如下：
(一) 打開α-step(須暖機 20 分鐘)，關機則可直接關閉。
(二) 將樣品放上平台，旋轉至探針底下，按 PRGM 1~9 皆可
→Scan length：300~500μm
→Speed：選擇 Medium 即可；選擇 Low 會較仔細
→Measure Range：解析的最大值設為 65KÅ 即可
→Stylus Force(探針力道)：2~3mg
→Fun+97 出現探針位置
→△▽下針→調整探針位置
→scan→Fun+45 看 slop(需要<0.01)，再調整增加或減少斜率以求水平 (三) 圖形出來以後，按 REF 和 MEAS 移動調整區段，等斜率<0.01
後，按│V│重現圖形。
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3-3-5 磁化率量測
本實驗室是利用超導量子干涉儀 (Superconducting Quantum Interference Device ；SQUID) 來量測磁化強度與溫度的關係和磁化 強度與外加磁場的關係。SQUID 的基本構造包含了杜瓦瓶、電腦控 制系統及樣品插座。杜瓦瓶內的超導磁鐵，可使樣品空間外加磁場至 7 Tesla。量測樣品的溫度可由 2 K 至 350 K。待測樣品裝置於吸管中，
藉由樣品傳送馬達送至樣品測量空間。SQUID 有著非常高的磁場變 化靈敏度，超導線圈於超導態時對外在磁場的改變會有相對應的電流 變化，藉此作為磁訊號分析工具。
圖 3-6 SQUID 基本構造圖。
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我們量測樣品採用 RSO 模式，測量時將樣品置於超導線圈中間，
接著使樣品往復進出現圈。樣品的感應磁場，隨著樣品在空間位置移 動，造成空間中磁場變化。測量超導線圈感應電流的變化，即可得知 樣品感應磁場的特性。
我們可以利用 SQUID 量測磁化率得到磁化率對溫度的關係圖，
即 M-T 曲線圖；以及磁化率對外加磁場的變化圖，即 M-H 曲線圖。
實驗流程如下：
磁化率對溫度的量測(M-T 曲線圖)：將樣品固定在吸管中離上端 8.5 公分的地方，可分 in-plane 與 out-of-plane 兩個方向固定。將吸管裝 上樣品支架放入杜瓦瓶中，接著操作電腦控制系統進行量測。
磁化率對外加磁場的變化圖(M-H 曲線圖)：
先設定溫度，使溫度到達欲測量的溫度。將測量分成三段，第一 段為外加磁場 H = 0 T 至欲量測的最大外加磁場。第二段從最大外加 磁場到負的最大外加磁場。第三段則從負的最大外加磁場到正的最大 外加磁場。
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