導論

1-1 研究動機

2008 中央研究院物理研究所吳茂昆院士研究團隊，發現了FeSe 此一毒性較低的鐵基超導體，超導溫度為 8 K，鐵基超導體是指

年

化合 物中含有鐵，在低溫時具有超導現象，並且鐵在形成超導的機制中是 關鍵性的主要材料。2006 年日本東京工業大學Hideo Hosono教授的團 隊發現有史以來頭一個以鐵為超導主體的化合物LaFeOP^[1]，打破從以 前到現在普遍認為鐵元素不利於形成超導的迷思。根據BCS理論，產 生超導性的必要條件是材料中的電子必須形成庫柏電子對。庫柏對中 的兩個電子自旋相反，所以總自旋為零，因而科學家認為超導性與鐵 磁性可能無法共存，材料中如果加入（如鐵、鈷、鎳）等磁性元素，

會大為降低超導性。鐵基超導體雖然含有鐵元素且是產生超導的主 體，但是鐵和其他元素（如砷、硒）形成鐵基平面後，鐵磁性已經消 失。鐵基超導體的結構與高溫超導的銅氧平面類似，超導性發生在鐵 基平面上，屬於二維的超導材料。就算鐵基超導體的臨界溫度未高於 液氮溫度，研究鐵基超導體仍有助於了解高溫超導的機制^[2]。 我們已明確的知道所有的鐵基超導可以從組成元素莫耳比的差 異，區分為四大系統：最早發現的REFeAsO1-xFx(1111)系統，也具有

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最高的超導轉變溫度；次高溫度的 AE1-xKxFe2As2(122)系統；三元的

superconductor Tc

(K)

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本研究選擇的材料 CePd2Si2 以及 Sr(Pd1-xNix)2Ge2其空間群皆為 I4/nmm 與 122 系統的鐵基超導體結構相同，雖然元素成分中不含鐵 元素，但從表1-1-1 的各種基本參數看來，從相同結構且廣為人知的 超導體出發，藉由壓力效應改變原子間距與鍵長、鍵角或是超導平面 的間距，對於了解鐵基超導體的形成機制，將會有很大的幫助。

物質在高壓作用下的物理行為，往往伴隨着溫度的變化（高溫或 低溫），由大量原子或分子所组成的凝聚體，在高壓作用之下，體積 將會缩小，使得原子或分子的間距缩短，產生結構相變，同時其自由 能改變；本來是液態的物質會凝固結晶；原本是晶態的固體，晶體結 構上的或電子結構上的可能會發生變化；非晶態的物質，其晶化規律 可能改變；在很高的壓力環境下，半導體、絕緣體甚至分子固體氫可 能變為金屬態^[4]等。這些在高壓下發生相變的現象，也成為凝態物理 研究的重要工具與手段。時至今日以鑽石高壓鉆可以產生的壓力最大 為320 GPa，約為大氣壓的 3 萬 2 千倍，而地球中心的壓力約為 364 GPa。

本實驗想要研究壓力效應下的超導性與磁性，有兩種方式，第一 種是將材料置放於高壓環境當中，以鑽石高壓鉆產生壓力，使得材料 在超過臨界壓力之下，出現超導行為如 CePd2Si2[5]。第二種是將材料 製作為奈米微粒，近年來的研究指出，縮小材料尺寸，將伴隨著許多

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的物理性質改變，以及內部結構的微改變，例如：Pd 奈米微粒其晶 格常數相較於塊材，具有縮短的趨勢，主要是量子尺寸效應或是表面 效應產生的差異^[6]。

球狀顆粒的表面積正比於直徑的平方，而體積與直徑的立方成正 比，將表面積除上體積，其比值與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，

此比值將會顯著增大，顯示表面原子所占的百分比將會明顯地增加。

對直徑大於100 nm 的顆粒而言，表面效應可以不被考慮，但是當尺 寸小於100 nm 時，其表面原子百分比迅速增長，甚至 1 克奈米微顆

粒表面積的總和可高達100 m²，這時的表面效應影響力不可忽視。

原子模型與量子力學已用能級的概念表達了合理的闡述，由無數 原子構成的固體，其每一單獨原子的能級總和將能構成能帶，因為每 一能階間距很小，所以可以視為連續的能帶，從能帶理論出發成功地 解釋了金屬塊材、半導體、絕緣體之間的聯繫與差異，對尺寸介在原 子、分子與塊材之間的奈米微粒來說，塊材中連續的能帶將分裂為離 散的能級﹔能級間距隨顆粒尺寸減小而增大。當平均的能級間距大於 熱能、電場能或是磁場能時，在微觀尺度下將會表現一連串與宏觀物 體大相逕庭的反常特性，將此現象稱為量子尺寸效應。例如，導電的 金屬塊材縮小至奈米微粒時變成絕緣體，磁矩的大小和奈米微粒中電 子是奇數或偶數相關，比熱亦會反常變化，光譜線產生藍移現象，這

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就是量子尺寸效應的宏觀表現。因此，對奈米微粒來說，在低溫狀況 下必須考慮量子效應，原有的宏觀法則已不存在。

小尺寸的奈米微粒磁性與塊材的差異相當顯著，純鐵塊材的矯頑 力約為 80 安培／米，而當粒徑大小縮到 20 nm 以下時，其矯頑力將 可增加一千倍，如果粒徑再小一點，大約小於 6 nm 時，其矯頑力反 而下降至零，呈現出超順磁性。利用磁性奈米微粒具有高矯頑力的特 性，將其製作成高儲存密度的磁記錄磁粉，廣泛應用於磁卡、磁盤、

磁帶以及磁性鑰匙等^[7]。

1-2 CePd

Si

簡介

元 素成 分 莫 耳 比 122 之 CePd2Si2， 其 晶 體 結 構 為 四 方 晶 系 (Tetragonal) (圖 1-2-1)，常壓下尼爾溫度(TN)為 10 K，常壓下不超 導，當壓力增至28 kbar 時，TN降為0 K，且在壓力為 24 kbar 時顯現 超導特性，臨界溫度Tc為0.2 K，本實驗希望藉由將樣品奈米化，使 得晶格扭曲，進而產生內部壓力，觀察其超導與反鐵磁性與塊材是否 有相同性質^{[5] [8]}。

. 2...圖 1-2-1 CePd2Si2的原子結構位置圖

1-3 Sr(Pd

Ni

)

Ge

簡介

近期發現 122 系統之鐵基超導體(Ba0.6K0.4)Fe2As2 其超導溫度為 38 K，為了更加了解 122 系統，所以我們選擇了 Sr(Pd1-xNix)2Ge2，同

樣是元素成分莫耳比 122 之超導系統，晶體結構也是四方晶系 (Tetragonal)(圖 1-3-1)，當 x = 0 時，超導臨界溫度為 3 K ，當 x = 1 時，超導臨界溫度為 0.9 K，隨著鎳的摻雜量增加，a 軸逐漸縮短，c 軸逐漸伸長，單位晶格體積逐漸縮小^[9]。本實驗希望觀察此樣品在外 加壓力之下造成晶格扭曲之後，其超導特性是否有相同之行為。

. 3...圖 1-3-1 Sr(Pd1-xNix)2Ge2的原子結構位置圖

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