四 四
四、 、 、 、實驗結果與分析 實驗結果與分析 實驗結果與分析 實驗結果與分析
4-1 超導能隙的量測超導能隙的量測超導能隙的量測超導能隙的量測
我們在製作穿隧接點的過程中，不能保證會百分之百的成功，其中最容易出問題的 就是絕緣層的製作，由於我們只能控制氧化層形成的時間，而氧化層又不能太厚導致電 阻過大，所以有時絕緣層會產生漏洞，使電子不是透過穿隧效應而是直接流過接點。我 們可以藉由超導能隙的量測，來確定我們製作的穿隧接點是良好的沒有漏洞。
所謂的超導能隙就是，隨著溫度降低，當其中一邊的電極形成超導態時(T<Tc)，電 極內部的電子會形成Cooper pair導致能量降低，這種現象會使費米能量附近的某一範圍 內沒有電子存在。從圖4-1中可以看出，在小偏壓時電流幾乎不會流過接點，直到偏壓 大於某一臨界值時才會開始出現電流，所以我們可以知道在小偏壓範圍內，其微分電導 趨近於零。[19]
在圖4-2中可以看到，我們在溫度T=0.25 K時所量測到的超導能隙，證明我們的樣 品是很好的穿隧接點，而不是有漏洞的樣品。其微分電導的最小值和其正常態的比值分 別為0.081、0.014、0.005 及 0.006。
樣品名稱 Al蒸鍍條件 絕緣層氧化時間 Y蒸鍍條件 接點尺寸 備註
A rate=3Å/秒
厚度250Å 20分鐘 rate=3.5Å/秒
厚度500Å 0.5×0.8 mm2
B rate=3Å/秒
厚度250Å 20 分鐘 rate=3.5Å/秒
厚度500Å 0.5×1 mm2
A 和 B 同 時製作
C rate=3Å/秒
厚度250Å 20 分鐘 rate=3Å/秒
厚度500Å 1×0.8 mm2
D rate=3Å/秒
厚度250Å 20 分鐘 rate=3Å/秒
厚度500Å 1×1 mm2
C 和 D 同 時製作
圖4-1 (a)穿隧接點兩電極都是正常態的能態分布圖及 I -V 曲線圖。(b)穿隧接點其中一 邊電極為超導態的能態分布圖及 I -V 曲線圖。[19]
圖4-2 超導能隙量測圖。
4-2 Al/AlOx/Al 穿隧接點的特性穿隧接點的特性穿隧接點的特性 穿隧接點的特性
圖4-3 Al/AlOx/Al樣品在溫度5 K時的G− 圖，圓點部分為實驗值，實線部分則是用V BDR模型所擬合的曲線。其製作條件為 Al(250Å)/AlOx/Al(600Å)，接點尺寸為 1mm×0.5mm。 其 位 壘 厚 度 d =16.9 Å 、 平 均 高 度φ =1.14 eV 、 高 度 差
φ
∆ =-1.48eV 。
4-3 Al/AlOx/Y 穿隧接點的特性穿隧接點的特性穿隧接點的特性穿隧接點的特性
這一節我們將把Al/AlOx/Y 樣品分成兩個部分來討論，分別是利用BDR 模型來分 析其位壘厚度與高度，以及樣品在低偏壓下的行為。
4-3-1 BDR 模型的分析模型的分析模型的分析模型的分析
我們用BDR模型對Al/AlOx/Y樣品做分析，由於樣品在約± 10mV之間有peak的 現象產生，因此我們需要把此範圍內的數據排除，不列入分析，並將結果整理到表4-2。 而我們從圖4-4中可以看到近似曲線和實驗數據有些許的差距，而且得到的參數也不甚 理想，因此我們的樣品並不適合用BDR模型來分析。從圖中我們看到G− 不是正常拋V 物線的關係，而是比較接近V字形，這可能是因為在我們的樣品中有磁性物質所造成的 影響，導致我們的實驗數據無法以BDR模型來完美的擬合。
樣品名稱 位壘厚度 d (Å) 平均高度φ (meV) 高度差∆φ(meV)
A 21.40 163.2 147.5
B 13.65 85.5 78.2
C 17.30 299.0 337.2
D 22.52 473.8 618.0
表4-2 BDR 模型的位壘形狀分析表。
圖4-4(a) 用BDR模型在溫度2.5 K時對樣品A所做的分析圖。圓點部分為實驗值，實 線部分則是用BDR模型所擬合的曲線。
圖4-4(b) 用BDR模型在溫度2.5 K時對樣品B所做的分析圖。圓點部分為實驗值，實
線部分則是用BDR模型所擬合的曲線。
圖4-4(c) 用BDR模型在溫度2.5 K時對樣品C所做的分析圖。圓點部分為實驗值，實 線部分則是用BDR模型所擬合的曲線。
圖4-4(d) 用BDR模型在溫度2.5 K時對樣品D所做的分析圖。圓點部分為實驗值，實
線部分則是用BDR模型所擬合的曲線。
4-3-2 樣品在低偏壓下所表現之行為樣品在低偏壓下所表現之行為樣品在低偏壓下所表現之行為樣品在低偏壓下所表現之行為
雖然我們的樣品不適合用 BDR 模型來近似，但是在低偏壓附近，我們可以合理的 選擇一個拋物線來近似，圖 4-5 是由我們的實驗數據所畫出的G− 關係圖，圖V 4-6 則 是在低偏壓下的G− 關係圖，以及我們人為選擇的近似曲線。我們以V y=a
(
x+b)
2 +c的形式選擇拋物線作為背景，其中 y 是微分電導 G ，x是偏壓V ，藉由改變a、b 、c的參 數值，我們可以分別控制拋物線的開口大小以及拋物線的水平和垂直平移，使得拋物線 在低偏壓範圍內能夠最靠近而不超過實驗數據(選擇結果列於表4-3)，雖然我們所選擇的 近似曲線不能完美的代表其真正的背景，而且我們還可以對其做些微的修正，但是這些 修正卻只會影響到其絕對值大小和對稱程度，而不會影響到圖形間的相互關係，因此，
雖然我們選擇的近似曲線僅具參考價值，但是為了能夠將背景訊號分離出來，人為選取 的背景近似也是有其意義的。
接著將實驗數據扣除我們所選擇的近似部分，可以看到只由磁性雜質對G− 關係V 所造成的影響。圖4-7是扣除拋物線之後的圖形，從圖中我們可以看到零偏壓附近會產 生電導上升的現象，其上升的大小在 2.5 K 時約在背景的 1.5~2.5％之間，並且從圖
4-7(a)(b)中看到隨溫度下降其電導也隨之下降，但在圖 4-7(c)(d)中可以看到電導隨溫度
下降會先下降再上升最後再下降，其中圖4-7(d)的溫度間距在上升區域取得較密，可以 更清楚的看到其上升區域的情形與 Kondo 效應的現象類似(零偏壓的電導隨溫度下降而 上升，其寬度變窄)，甚至在溫度2.5 K 時還可以看到其能階分裂的情形(小圖中為重複 量測之結果，並非實驗誤差所造成)。圖4-8則是在4T的磁場下我們所看到能階分裂的 情形，約在溫度5 K以上時看不到分裂，而溫度越低分裂情況越明顯。
圖4-9是零偏壓時的G− 關係圖，從圖中可以看到在無外加磁場下，溫度約在T 16 K 以上時電導會隨溫度下降而降低，在約5~16 K之間可以看到樣品A、B的電導變化隨 溫度下降幾乎不變，而樣品C、D的電導變化則是隨溫度下降而上升，其上升幅度約在 0.2~0.3％之間(與一般的Kondo效應比較明顯的小了許多)，而在大約5 K以下電導又開 始隨溫度降低而下降。至於加了4T磁場後，其電導在溫度約20 K以上時和不加磁場差 不多，在約20 K以下可以看到隨著溫度下降其電導向下修正越多，而電導隨溫度所表 現的行為則與不加磁場大致相同。
從G− 和V G− 之間的關係來看，我們和第二章理論部分的T RKKY 效應做比較，
可以發現當溫度下降時其電導會隨之下降，直到某一溫度時會看到因為磁性雜質的影響 使得導電電子與雜質間產生交互作用，導致電子與雜質間的自旋反轉產生Kondo效應，
因而使電導開始隨著溫度的下降而上升，但是由於大量的磁性雜質存在接點中，使得雜 質與雜質之間受到鄰近的電子交互作用導致自旋排列不易反轉，因此抑制了Kondo效應 的貢獻，就在Kondo 效應與RKKY 效應的競爭之下使得電導上升的幅度減小，甚至在 更低溫時還會大於Kondo效應的貢獻，電導也隨溫度降低而開始有下降的趨勢，我們也 可以從圖 4-10 看到在複合物中電阻對溫度的變化情形與符合。至於零偏壓附近的能階 分裂情形也可以在G− 關係圖中看到，而這些現象與我們的實驗結果非常吻合，因此V 我們可以認定此現象為RKKY效應所造成的結果。
樣品名稱 a b c
A 0.022 1.69 71.7
B 0.033 1.70 102.0
C 0.090 3.60 706.0
D 0.110 3.60 695.0
表4-3 背景近似參數表。
圖4-5 大偏壓範圍所量測到的G− 關係圖。V
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
圖4-6(c) 樣品C在小偏壓範圍的G− 關係圖，及其近似曲線。V
圖4-7(a) 樣品A扣除拋物線後的G− 關係圖。V
圖4-7(c) 樣品C扣除拋物線後的G− 關係圖。V
圖4-8(a) 樣品A扣除拋物線後並外加4T磁場的G− 關係圖。V
圖4-8(b) 樣品B扣除拋物線後並外加4T磁場的G− 關係圖。V
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
A 0.25K 4T
1.25K 4T 2.5K 4T 5K 4T
dI/dV(micro Simen)
V(mV)
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
B 0.25K 4T
1.25K 4T 2.5K 4T
dI/dV(micro Simen)
V(mV)
圖4-8(c) 樣品C扣除拋物線後並外加4T磁場的G− 關係圖。V
圖4-8(d) 樣品D扣除拋物線後並外加4T磁場的G− 關係圖。V
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
0 2 4 6 8 10 12 C
dI/dV(micro Simen)
V(mV)
0.25K H=4T 1.25K H=4T 2.5K H=4T
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
0 5 10 15 D
dI/dV(micro Simen)
V(mV)
0.25K H=4T 1.5K H=4T 2.5K H=4T 6K H=4T 8K H=4T
圖4-9(a) 樣品A在零偏壓時的G− 關係圖。T
圖4-9(b) 樣品B在零偏壓時的G− 關係圖。T
0.1 1 10
70 71 72 73 74 A
H=0T H=4T G0(micro Simen)
T(K)
0.1 1 10
100 101 102 103 104 105 106
H=0T H=4T B
G 0(micro Simen)
T(K)
圖4-9(c) 樣品C在零偏壓時的G− 關係圖。T
圖4-9(d) 樣品D在零偏壓時的G− 關係圖。T
1 10
725 730 735 740 745 750
H=0T H=4T C
G 0(micro Simen)
T(K)
1 10
760 765 770 775 780 785
H=0T H=4T D
G 0(micro Simen)
T(K)
圖4-10 複合物CePd2B2C電阻率對溫度的關係圖。從圖中可以看到溫度從300 K到20 K之間電阻率呈單調的減小，在20 K到6 K之間電阻率則是與溫度無關，從6 K到4 K則是由於弱Kondo效應使得電阻率些微上升，4 K以下因為自旋排列 導致電阻率快速下降。[8]