3-1 塊材製作
塊材樣品的製作是以弧光放電法(簡稱 Arc)製作，其主要是利用 尖端放電原理，在通以高壓電下將無氧銅盤當作負極，針狀且高熔點 的鎢棒則當做正極(圖 3-1-1、3-1-2)。在弧熔爐(Arc melting furnace) 內通入純度為99.999 %的氬氣，利用瞬間電壓差解離鎢棒與無氧銅盤 間的氬氣，進而引出電弧轟擊放置在無氧銅盤上的待熔樣品。在開始 製做樣品之前，為了確定Arc 過程中不會有其他污染物影響樣品的磁 性，所以要非常仔細的清理弧熔爐內部每一部份。鎢棒與銅盤必須先 以細砂紙磨去表面一層，此動作可確定之前使用過所殘留的污染物，
不會隨著這一次的Arc 而污染我們樣品。玻璃罩內部及所有零件最後 再以丙酮擦拭乾淨，去除上一次使用時或多或少被高溫蒸出的樣品及 手的油污。
因 Ce 元素極易氧化，所以平時存放在充滿氮氣之手套箱中，在 要製作樣品時再從中取出。取出後先以鑽石切割機切取適當大小，以 高精度天平秤取重量，之後放置在充滿氮氣之簡易手套箱中，以砂紙 磨去 Ce 表層氧化物。當 Ce 表面皆呈現金屬光澤後迅速放入裝有丙 酮之燒杯中，以超音波震洗機除去表面其他污染物。丙酮雖然可以隔
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離空氣，但經過約1~2 小時後氧氣還是會慢慢融入丙酮而使 Ce 氧化，
所以準備三元素的過程時間不可拖的太久。將 Ce、Pd 與 Si 三元素還 有 Zr 塊材置於銅盤之中(Zr 需要儘量遠離樣品，以免一起與樣品熔 融)，在確認無氧化之慮後用機械幫浦抽去弧熔爐中之氣體。為了降 低氧化機會，可以在機械幫浦抽氣至約10-1 torr 時將幫浦關閉並通入 氬氣，以此方式連續抽氣、充氣換氣三次，這樣會使爐中氧氣濃度相 對大幅降低。最後抽氣至4 x 10-2 torr 以下，關掉抽氣幫浦，再以氬氣 回灌。在產生電弧中為了避免弧熔爐係縫有漏氣造成氧化的情形，我 們持續填入氬氣使爐內壓力大於爐外，多餘氬氣由洩氣閥洩出。準備 就緒後先將鎢棒尖端輕觸銅環，如此較容易引出電弧。藉由快速打開 電壓開關所造成的電壓差引出電弧，先將電弧引向Zr 上方，加熱 Zr 使其表面燒紅。因為 Zr 在高溫時會吸附氧氣，關掉電源待其冷卻後 可藉由觀察Zr 表面推測腔體內部氧氣殘存量的多寡，如果 Zr 表面變 黑的話就表示爐內尚有過多氧氣，反之則呈現金屬光澤。在確定沒有 問題後便以相同方式先加熱Zr 後，再接著將電弧引向樣品，藉由加 大電壓使樣品上的溫度加高而融為一塊。為確保樣品均勻度，需將其 翻面重複數次。在Arc 第二次後為了避免樣品溫差過大而裂開，將電 弧引向樣品前需在樣品附近先加熱銅盤使樣品先預熱。最後得到的 CePd2Si2塊材需秤重計算前後之損失率，損失率不可太高以確保樣品
比例不變，再利用X-Ray 確定成分組成。
1 真空腔
2 無氧銅盤
3 樣品
4 鋯
5 鎢針
6 真空幫浦
7 真空計
8 氬氣鋼瓶
9 電源供應器
10 功率控制踏板
11 冷卻水
. 9...圖3-1-1 弧熔爐(Arc melting furnace)示意圖
. 10圖3-1-2 弧熔爐(Arc melting furnace)實際操作圖
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3-2 奈米微粒製作
我們是使用Lambda Physike 公司所生產的脈衝式雷射(圖 3-2-1) 來製作奈米微粒，這種雷射可以使用的雷射光可依填充不同的氣體進 入其共振腔，可產生下面四種不同的波長(表 3-2-1)。
- 2表3-2-1 準分子雷射使用之氣體與產生之波長對照表
Gas Mixture Wavelength
Ar，F2 in He，Buffer(Ne) 193 nm Kr，F2 in He，Buffer(Ne) 248 nm
Xe，HCl and H2 in He，Buffer(Ne) 308 nm Xe，F2 in He，Buffer(Ne) 351 nm
氣體的純度也影響了雷射產生的功率，因為上述的氣體分子除了 He 氣之外大多皆比較重，而加入 He 氣也只是方便抽取共振腔之氣 體。如果使用了較不純淨的氣體則當雜質進入共振腔之後，沈積於共 振腔底部則很難將其抽出。因此在灌入氣體之前要先注意氣體的純 度，以產生 193 nm 所需的氣體為例，Ar 氣、F2氣、He 氣跟 Ne 氣都 是要求高於99.995 %的純度。當將氣體灌入共振腔之後，得將之前灌 入F2氣的氣體管路抽乾淨，因為氟氣是有毒的氣體只要0.06 ppm 即 可使人致命。而且如果管路內含有水氣的話，則 F2 氣會和水氣起作
用，進而產生氫氟酸(HF)，這是一種強酸，所以有可能腐蝕管路，
一旦管路被腐蝕之後則會使氣體外漏，產生危險。所以在將氣體灌進 共振腔之前得先將管路抽乾淨以防止水氣進入產生氫氟酸。
. 11圖3-2-1 準分子雷射實際圖
儀器所使用的雷射波長是 193 nm 的 ArF 雷射，但並不是 Ar 氣 和 F2氣結合所產生的光，而是利用一高電壓將 Ar 氣及 F2氣結合為 ArF。因為 ArF 為一不穩定的狀態，所以很快的會分解為 Ar 及 F，在 此分解的過程中產生了193 nm 的雷射光。再將所產生的雷射光利用 透鏡，移到所須的光路上，之後利用一凸透鏡聚焦。將靶材放置於焦 點上，再配合旋轉機制，使靶材持續旋轉以減少其損耗量，而且樣品 產生的量也較多。
在將真空腔清潔乾淨之後，在兩電極間置入 Zr 片，利用機械幫 浦抽至1 x 10-2 torr 之後再用冷凍幫浦抽至 3 x 10-7 torr 以下。為確保
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真空腔體內沒有多餘的氧氣，因此在開始使用雷射之前得先以電阻加 熱方式將 Zr 加熱，使其吸收腔內氧氣(O2)。如果在製作有必要通入 液氮來冷卻收集盤的樣品時，也在開 Zr 的同時通入，停止抽真空並 將He 氣通入真空腔體內，依不同的條件改變通入工作氣體(He)量。
打開靶材與收集盤之旋轉機制，在雷射的出口處持續通入氮氣(N2)，
通入氮氣的主要原因是因為雷射所發出的光會將空氣中的氧變成臭 氧(O3)。因此通入氮氣，使雷射光不和氧作用產生臭氧，如此便可以 打開雷射，使其開始工作(圖 3-2-2)。至於要什麼樣的條件才可以得 到所要的樣品，則需要去嘗試一些不同的條件，改變雷射之能量、頻 率與收集盤距離靶材的高度，都會得到不一樣的結果。
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. 12圖3-2-2 表層剝離示意圖
Laser He
Sample
LN2
Target
3-3 X-Ray Diffraction量測
實驗室用來確定樣品的成分的方法是使用 X-Ray 粉末繞射量
測。根據布拉格定律(Bragg law)：
n 2d sin
λ 為入射光波長，d 為晶格面的間距，θ 為繞射角。當兩入射波波程差相差2dsinθ 時，會有建設性干涉產生，並可由強度看出。因此判斷 出樣品晶面的角度，進而得知其結構(圖 3-3-1)。
. 13圖3-3-1 X-ray 繞射示意圖
樣品的晶面不一定會以無序的方式排列。可能只有部分晶面出現 在塊材的表面，其餘的就會被隱藏住，而導致強度失真。一般來說，
為了避免這一種問題出現，必須將塊材以瑪瑙研缽磨碎成粉末狀，如 此便可以平均的看到樣品的每一個晶面。X-Ray 打出的光束線是一個 長條形，隨著角度由小至大長條形面積也有所變化。因此在擺放樣 品，特別是訊號較小的奈米顆粒時，需將樣品以牙籤撥放成長條狀，
其寬度最好不超過光束線最小的寬度，另外也要注意以載玻片壓平粉
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末狀之樣品時，樣品是否有確實被平放於矽之單晶片上，如此所得到 的強度比較可信。
實驗室是使用飛利浦公司的 X-Ray 繞射儀，機器是以高速電子 打擊銅靶減速釋出X-Ray，其中主要有三條特徵波長：Kα1、Kα2與 Kβ。 我們主要使用的是Kα1，可在X-Ray 出口使用鎳薄膜濾除 Kβ。然而Kα1
與 Kα2 的波長太過接近難以用薄膜濾除，只能用軟體扣除 Kα2 的貢 獻，所以我們最後得到繞射光譜波長Kα1 = 1.5405 Å 的特徵光譜。
實驗儀器所使用的參數為：
波長：1.5405 Å、電流：40 mA、電壓：45 kV
. 14圖3-3-2 X-ray 儀器實際圖
數 據 的 分 析 上 扣 除 Kα2 與 扣 除 背 景 值 是 以 Philips X`Pert HighScore 軟 體 ， 找 尋 半 高 寬 (half-high width) 是 用 Origin8.0 以 PsdVoigkt1 的繞射峰形進行非線性之擬合。
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3-4 TEM量測
穿透式電子顯微鏡 (transmission electron microscope, TEM) 利
用穿透電子來呈像以觀察物體內部之微細構造。利用場發射原理將電 子加速，經過電磁透鏡聚焦，穿過樣品投射於底片或 CCD 顯示器，
達到高解析品質之影像。可提供奈米材料、高分子材料、生物樣品，
及超薄切片樣品之內部結構、粒子型態尺寸之觀察，同時具有繞射圖 像可提供材料的晶體排列度，晶格大小之鑑定。X 射 線 能 量 散 佈 分 析 儀 （EDS）， 可 定 性 定 量 量 測 極 小 區 域 的 化 學 成 分 （ 原 子 序 約 ＞11）、 電 子 能 量 損 失 譜 儀 （ EELS）， 能 夠 定 性 量 測 微 小 範 圍 的 輕 元 素 。 既 有 成 分 結 構 分 析 的 能 力 ， 更 能 針 對 小 區 域 來 量 測 檢 視 。
3-5 高壓磁性量測
3-5-1 SQUID結構與原理
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，此種變化較一般磁性物質都來的靈敏，因此可利用來感測外部磁 場的變化。超導量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference
Device ; SQUID)(圖 3-5-1-1、3-5-1-2)即是利用此種原理所製成的磁 量測儀器。其設計為將樣品置於超導線圈內，施加一磁場，而後讓樣 品往復進出線圈。
. 15圖 3-5-1-1 超導量子干涉儀(SQUID)
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編號 名稱 編號 名稱
1 樣品棒 11 印表機
2 樣品移動馬達 12 超導磁鐵電源
3 樣品輸送室 13 溫控器
4 偵測器 14 控制架
5 液氦感測棒 15 總電源
6 超導磁鐵 16 控制器
7 SQUID 感測器 17 氣體控制器 8 SQUID 感測器 18 控制電腦
9 杜瓦瓶架 19 顯示器
10 杜瓦瓶
. 16圖3-5-1-2 超導量子干涉儀實際圖
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樣品若對磁場有所感應，則會對週遭的磁場產生影響，而這種影 響可由超導線圈的電流變化得知，進而得知樣品的磁特性。
根據電磁學：
Vemf = - dΦ dt Φtotal = Φsample + LI
ΔΦ = -LΔI
其中Vemf 是感應電動勢，Φ 是磁通量，L 是電感，I 是電流。由超 導線圈感應磁場的變化，並以電流I 表現出來。由所得出的電流 I 換 算回磁通量改變而有電動勢Vemf 。所以只要量到感應線圈所產生的 電動勢Vemf ，便可求得單位體積磁化量 M。再將 M 除以外加磁場 H，便可得到磁化率 χ ( χ = M / H )，χ 除以克數便為每克的磁化率 χg。 實驗時可控溫做磁化量(M)對外加磁場(H)的測量；也可在定磁場下 做磁化量(M)對溫度(T)的測量。
3-5-2 High pressure cell結構與原理
High pressure cell 是由我們自行設計並製作的高壓裝置，為了量
High pressure cell 是由我們自行設計並製作的高壓裝置，為了量