微帶線共振器

為了研究超導體薄膜表面結構及內長缺陷對其表面電阻的影 響，我們藉由改變鍍膜時的氧壓，分別在氧壓為0.3 Torr 及 0.05 Torr

下蒸鍍高溫超導薄膜，以期獲得不同的表面平整度與結晶顆粒大小，

進而觀察其對表面電阻的影響；利用量測薄膜品質之儀器如電阻-溫 度量測系統、原子力顯微鏡等，可以觀察到在不同氧壓條件下所製備 的薄膜，其表面與結構的差異。除了研究薄膜本身的結構，我們更利 用此兩種不同氧壓條件下蒸鍍的薄膜，將其以微影蝕刻的方式，製作 成微帶線共振器微波元件，並藉由網路分析儀的量測，我們可以得知 超導體薄膜的微波特性；經由理論模式推導與量測的結果相比較，可 以獲得一些重要的物理參數，如倫敦穿透深度及複數電導率等，這些 參數對我們分析不同條件薄膜的內部結構與超導體傳輸行為有很大 的幫助。以下將先就薄膜本身特性的量測加以討論，並與輔以微波量 測所得之物理參數兩相比較，可更清楚了解不同氧含量所蒸鍍超導薄 膜之差異，以及其對於表面電阻 Rs 的影響。

4-2-1 薄膜量測

在本小節中，我們首先討論在不同氧氣壓力環境下蒸鍍的薄膜，

其基本的特性。藉由原子力顯微鏡、電阻-溫度量測系統以及 X-ray 繞射儀，我們可以對這兩種薄膜的結構有所認識，並利用觀測到的結 果，與國外其他研究群所做相關之研究，加以比較與討論，以期獲得 更正確的解釋。

[A.] 原子力顯微鏡觀測

表面電阻 Rs 對於微波元件品質的影響，近年來已經被廣泛的討 論；一般認為，具有較低表面電阻的薄膜，其微波特性的表現會比較 好。在許多的研究結果中可以發現[6]，高氧壓環境下所蒸鍍出來的超 導薄膜，表面具有很多外長的顆粒(outgrowth)，這些外長的顆粒與超 導體的表面電阻有關，且會影響其微波性質。研究中計算薄膜表面有 無外長顆粒對表面電阻的影響，推論薄膜在不具外長顆粒的情形下，

其表面電阻會下降。實驗結果顯示[6]，具有 c 軸軸向及外長顆粒的釔 鋇銅氧薄膜，其表面電阻在10 GHz，77 K 時為 250-600

µ Ω

µ Ω

µ Ω

µ Ω

可預期若控制成長薄膜時的條件，使得表面不具有外長顆粒，應可獲 得較佳的表面平整度，且會具有較低的表面電阻Rs。

另文獻上亦指出[11]，改變鍍膜時候的氧氣壓力，可以有效的改 善薄膜表面平整度。基於這個想法，我們在兩個不同的氧壓條件下 (0.3 Torr 與 0.05 Torr)，蒸鍍超導薄膜，並保持其他的變因皆相同。

鍍膜時候的氧壓改變會明顯影響雷射放電火焰的聚焦大小，其實驗狀 況如圖4-5，在 0.3 Torr 的氧壓下，雷射放電火焰聚焦範圍較小，因 此蒸鍍到基板上單位面積的顆粒較多，可以預期這樣的條件下，其薄

膜的表面平整度會較差；而在0.05 Torr 的氧壓下，雷射放電的火焰 較為發散，因此蒸鍍到基板上單位面積的顆粒也相對的減少，造成薄 膜的表面較為平整。

藉由原子力顯微鏡的觀測，如圖4-6 與 4-7，我們可以清楚的看 出，在0.3 Torr 氧壓環境下蒸鍍的薄膜，其表面具有許多的外長顆粒，

表面平整度大約為7.4 nm，表面顆粒大小約為 500 nm；而在 0.05 Torr 氧壓環境下蒸鍍的薄膜，其表面不具有外長顆粒(圖中的大顆粒 應為觀測時的灰塵所致)，因此表面平整度較高氧壓鍍膜條件的薄膜 來的平整，大約為2.8 nm，表面顆粒大小也只有 300 nm。

由原子力顯微鏡的觀測，我們可以證實，在低氧壓環境下所蒸鍍 的超導薄膜，確實具有較佳的表面平整度，並可有效改善高氧壓條件 薄膜之外長顆粒，且其結晶顆粒大小也比較小。但是將薄膜製成微波 元件後，經由網路分析儀量測結果(見後面)，卻顯示在低氧壓條件下 蒸鍍的薄膜，其表面電阻Rs 並沒有低於高氧壓條件下蒸鍍的薄膜，

顯然在這種表面平整度並非決定此超導體薄膜Rs 的因素。因此我們 試圖由薄膜的內部結構及其他物理特性與成長時氧壓的關係，來了解 主宰表面電阻的主要原因為何？

[B.] 電阻率-溫度量測

薄膜，利用黃光微影蝕刻技術，將其製成微橋的圖形，並有四個等間 距的接點，分別輸入電流與量取電壓值，由此可將電腦所顯示的電阻 值轉換為電阻率，0.3 Torr 與 0.05 Torr 氧壓條件製備的薄膜，其量測 結果如圖4-8。由電阻率對溫度的關係，可以給我們幾個訊息：第一，

由圖中可以發現，在0.05 Torr 氧壓條件下製備的薄膜，其臨界溫度 Tc 約為 80 K，相較於 0.3 Torr 氧壓條件製備的薄膜之臨界溫度，下 降了約10 K 左右。此現象已被許多研究群所探討[19]，其原因可能 是因為晶格內部中釔-鋇原子的錯位(antisite disorder)[20]，或薄膜的 氧含量降低[21]所導致。對於後一個原因，依據 J. D. Jorgensen 等 人[22]以及其他一些研究群的實驗結果，我們可以估計臨界溫度 Tc 所相對應的薄膜氧含量(圖 4-9)：0.3 Torr 氧壓條件下製備的薄膜，臨 界溫度約為 90 K，其相對應的氧含量約為 6.9 (δ = 0.1)；而 0.05 Torr 氧壓條件下製備的薄膜，臨界溫度約為80 K，相對應的氧含量約為 6.78 (δ = 0.22)；這個現象似乎和降低鍍膜時的氧氣壓力，會造成薄 膜內氧含量減少的直觀解釋極為吻合。

可是仔細觀察可以發現 0.05 Torr 氧壓條件下製備的薄膜，在室 溫下的電阻率反而遠比0.3 Torr 氧壓條件製備的薄膜小，這似乎和前 面直接將Tc 的降低歸因於薄膜氧含量的變化有不符之處。舉例而 言，在本實驗室對同一釔鋇銅氧薄膜做氧含量控制的實驗中(圖

4-10)[21]，即明顯看出氧含量降低時，薄膜電阻率通常將因銅氧平面 上載子濃度降低以及氧缺陷增加而升高；在高度缺氧時，其常態電阻 與溫度之關係會更明顯偏離線性行為，而出現所謂類能隙

(pseudogap)的現象。另一方面，文獻指出[19]，在低氧壓條件下蒸 鍍的薄膜，可能導致薄膜內部結構產生變化，尤其以鋇原子取代釔原 子最為顯著。此取代效應會造成銅氧平面摻雜的載子數目增加以及 c-軸長度增長；由於參與傳輸的載子數目增加，因此在室溫時，0.05 Torr 氧壓條件製備的薄膜其電阻率會較 0.3 Torr 氧壓條件製備的薄膜 小，這點與我們的實驗結果相吻合，間接支持鋇原子取代釔原子反應 說法的可能性。

第二，觀察兩種薄膜其在 Tc 附近的變化，可以發現 0.3 Torr 氧 壓條件製備的薄膜，其在 Tc 附近變化迅速，超導轉變寬度 ΔTc < 1 K；反觀 0.05 Torr 氧壓條件下製備的薄膜，電阻下降的速度較為平緩 (ΔTc ~3 K)；這個現象除了可能因組成相的結晶性有異之外，也有可 能因d-波對稱的特性所造成。在 0.3 Torr 氧壓條件製備的薄膜中，結 晶性較低氧壓薄膜優異(內部較無缺陷，見下文 X-ray 繞射結果)，而 在0.05 Torr 氧壓條件下製備的薄膜，其中因為具有離子半徑較大的 鋇原子取代離子半徑較小的釔原子，使銅氧平面感受額外應力，造成 薄膜中超導結晶相有較不均勻的分佈，使超導轉變溫度變寬；或者因

應力的存在，使超導載子對感受到較強的散射擾動(fluctuation)，而 使超導轉變溫度變寬。

最後，由電阻率對溫度的關係圖中可看出 0.05 Torr 氧壓條件下 製備的薄膜具有較大的0 K 外插殘餘電阻，此也可歸因於低氧壓薄膜 其內部的disorder 較大。

[C.] X-ray

為了更加了解薄膜內部的結構，並對上節所做的一些推論做更進 一步的釐清，我們對兩種氧壓製備的薄膜做X-ray 繞射儀的量測，其 結果如圖4-11、圖 4-12。由兩個圖中，我們可以看出，0.3 Torr 與 0.05 Torr 氧壓條件製備的薄膜都是高度 c-軸軸向的薄膜；由第二章 實驗步驟所提供的方法，可以計算出這兩個薄膜的c-軸長度，發現 0.05 Torr 氧壓條件製備的薄膜其 c-軸長度(11.737Å)較 0.3 Torr 氧壓 條件製備的薄膜(11.689 Å)長，這種在低氧壓下 c-軸擴張的現象，到 目前為止有一些實驗室研究，提出兩種主要的機制來解釋[20]。其一 為前面提及的鋇-釔原子的取代反應；在低氧壓的環境下，釔鋇銅氧 結構內由於釔原子外圍有三個價電子，鋇原子的外圍只有兩個價電 子，因此正常的情況下，一個釔原子平均與一個半的氧原子鍵結，而 鋇原子則與一個氧原子鍵結。當銅氧平面因為氧壓的缺乏而少掉一些 氧原子時，在結晶成長的過程中，由於沒有足夠多的氧原子提供釔原

子鍵結，因此鋇原子有機會佔據釔原子的位置與氧原子鍵結，進而發 生取代的反應。在取代反應發生的同時，由於鋇原子只有兩個價電 子，較釔原子少了一個，也就是多了一個電洞，由於超導體的載子傳 輸發生在銅氧平面上，載子數的增加，降低了電阻率，由這個機制，

可以合理的推論為何0.05 Torr 氧壓條件製備的薄膜的室溫電阻率會 比0.3 Torr 氧壓條件製備的薄膜來的低的原因。

另由於釔原子的直徑為 1.02 Å，鋇原子的直徑為 1.42 Å，因此 當取代反應發生時，鋇原子取代釔原子，由於鋇原子直徑較大，所以 會使得c-軸發生擴張的現象；圖 4-13 之(a)表示 c 軸長度與鍍膜時氧 壓關係圖，(b)表示轉換溫度對 c-軸長度的關係圖，與我們先前由 X-ray 繞射所推算出的 c-軸長度，以及兩樣品分別的臨界溫度相比 較，發現相當吻合，因此可以證實鋇原子取代釔原子的反應理論有相 當程度的正確性。由於取代反應造成c-軸的擴張，我們可以預期在低 氧壓製備的薄膜內部，結構會發生變形，使其傳輸的行為也跟高氧壓 製備的薄膜相異。

另一種情況，則是直接由氧含量的降低所解釋(圖 4-14)；由於釔

另一種情況，則是直接由氧含量的降低所解釋(圖 4-14)；由於釔