3-1 製備
我們的樣品主要是以 CeCoIn5為出發點，再藉由摻雜不同比例的 Ru 與 Sn 去 改變其電子組成與晶格結構，由於鈰容易與空氣中的氧氣反應，我們沒有時間 慢慢控制鈰的量去配合其他元素的比例，因此我們習慣以鈰為配置過程的出發 點，先準備好固定量的鈰，再依不同的比例去準備其他的元素。
在配製前，由於鈰已經處於空氣中太久，所以其表面已經有厚厚的氧化層 了(即使放在氮氣手套箱中保存，時間一久還是會氧化)，因此再配製樣品前我 們需要先純化鈰。我們使用的方法是弧光放電法(Arc melting method)，此法 是利用尖端放電的原理，將樣品放在弧熔爐中，以無氧銅盤當作負極，磨成針 狀的鎢棒當作正極，利用瞬間產生的高電壓差去解離通入爐中的工作氣體-氬 氣，進而產生高電流與高溫來熔融金屬，經過熔融的鈰會將氧氣排出，只剩下 純的元素鈰，而被排出的氧氣會被旁邊事先已加熱過的鋯給吸收，如此重複加 熱鋯再加熱鈰的步驟五次以上才破真空將元素取出。
29
3-1-1 Flux method
首先，在計算好各種不同摻雜比例的樣品後。我們將各個秤過重量的 Ce、
Co、Ru、In、Sn 元素塊材裝進小石英管中，由於小石英管直接接觸各個元素，
其乾淨程度會直接影響樣品在生成結晶時的起始反應，所以在使用前須先用酒 精擦拭，然後用丙酮震洗再烘乾才可使用，(最一開始我們使用的是氧化鋁坩 鍋，但是發現其內壁比較凹凸不平，除了不易清潔外其表面小顆粒還有可能影 響結晶過程，因此改用小石英管)，接者再將小石英管放入大石英管中，並在其 上方放置石英棉，接著整體抽真空至 5x10-5並密封起來。
第二步我們將各個已抽成高真空已裝有個元素的石英管放入高溫爐中，升 至高溫 1175 K，此時當作溶劑用的 In 早已成液態，持溫 6 小時讓其他各元素 在溶劑中均勻分佈，之後緩慢的冷卻令其有夠的時間結成晶體，最後停在 400 K(如下圖 3-1)，讓多餘的 In 溶劑保持再液態，而形成的晶體不受影響，然後 從高溫爐迅速取出。
取出後迅速的將高溫石英管倒置，令大部分還處於液態的 In 流到石英棉之 下，而已經形成晶體的樣品則被阻擋於石英棉之上，但液態的 In 金屬較濃稠，
故在倒置後要將石英管放入離心機，藉由離心力盡可能地將 In 甩離樣品至石英 棉下，旋完後便可將石英管倒回來，稍為敲一敲，此時作為溶劑的 In 已經冷卻 回到固態黏在石英管頂端，而樣品則回到石英管的底部，此時就可以破管了。
30
31
經過一連串的 flux 步驟而得到的樣品其實大部分還是都會因為旋不乾淨的 In 而黏在一起，為了得到可以量測的樣品還需要進行酸洗的步驟，我們將濃度 37%的鹽酸與清水以 1:4 的比例進行混合，並讓樣品在其中浸泡 1 小時，隨後倒 去大部分的酸液並逐次稀釋三次，這時的樣品才算正式準備完成。
從這些樣品中我們會先把單顆的、表面看起來乾淨平滑的單顆樣品挑起 來，而挑不開的樣品則是一起磨成粉進行初步的 X-ray 粉末繞射儀的量測。
3-2 樣品量測
3-2-1 X 光粉末繞射儀量測
在此實驗中藉由 X-ray Powder Diffraction 的量測我們可以初步的觀察樣 品的成分及晶體結構。當粉末樣品受到波長λ的 X 光照射時，樣品中某些晶格 面間距 d 中之格子面(hkl)，對入射的 X 光剛好傾斜Θ角，且符合布拉格公式 (Bragg’s Law):
nλ = 2dhklsinΘ (3.2-1)
會有建設性干涉產生如下圖 3-3 為 X 光繞射示意圖。
32
圖 3-3 布拉格繞射原理
實驗所使用的儀器為飛利浦公司的 X 光繞射儀，如圖 3-4 所示，X 光的產生主 要是由於高速電子撞擊銅靶減速後釋放出的 X 光會產生特徵 X 光光譜以及連續 光譜。主要的 X 光特徵波長有三條，分別是 kα1 、kα2 及 kβ。
其中的 kα1才是我們想要看的實驗結果，因此必須扣除掉 kα2 及 kβ的訊號，
kβ的訊號在 X 光出口處已經使用鎳薄膜濾除，但是 kα2與 kα1的波長接近，無 法使用硬體去濾除，所以使用 Highscore 軟體扣除掉 kα2的貢獻。
33
圖 3-4 X 光粉末繞射儀實際圖
由於我們不確定同一個石英管中的這批樣品是純相還是具有其他雜相，但只要 根據粉末的 X-ray 量測後我們便可以判斷出這一批樣品中有多少的比例是我們 的目標:Ce115，而其他的訊號又是來自哪些雜相晶體，比例又各占了多少。
除了粉末的量測我們也更進一步的直接對事先已挑起的晶體做 X-ray 量 測，而這也才是我們真正可以做後續測量的樣品，粉末的量測只能提供我們這 一批樣品中的組成與分佈。一旦找出具有 CeCoIn5結構的樣品我們便可進行後 續的磁性、電性與比熱的測量。
34
3-2-2 磁性量測
超導量子干涉磁量儀(SQUID)
超導量子干涉磁量儀(Superconducting Quantum Interference Device Magnetometer，SQUID magnetometer)是利用超導約瑟芬元件
(Josephson superconducting device)，並結合電子、真空及低溫等 技術開發而成的磁化率(magnetic susceptibility)精密自動化量測 儀器，其主要是由七大功能系統所組成，分別為：
(A)溫控系統：控制加熱線圈加熱或引入冷氦氣降溫以控制樣品的溫 度，範圍由1.7 K 到350 K。
(B)超導磁鐵系統：主要控制由電源供應器流至超導磁鐵的電流大 小，而產生我們需要的磁場，範圍在-7 至+7 個Tesla 之間。
(C)SQUID 偵測系統：負責的工作包含重換電器回率、自動設定磁矩 範圍的功能等等。
(D)樣品操控系統：可平穩的移動及旋轉樣品經過檢測線圈，而不會 將波形的機械震動傳給SQUID。此設備可提供不同的掃描長度，並依 不同的目的量測數據。
(E)氣體操控系統：維持杜瓦瓶內的氦氣壓力之平衡控制系統。
(F)液氦杜瓦瓶(dewar)系統：容納液態氦(He4)之絕熱系統，使液態
35
氦被保持在極低溫下而不易蒸發。
(G)電腦控制系統：我們將欲量測之物理量寫程序列的程式，藉由電腦依循這些 程序操控各系統來量測實驗的數據。
儀器結構如下圖3-5:
圖 3-5 超導量子干涉儀裝置簡圖
(中央研究院物理所奈米組公共實驗室)
36
(1)樣品棒
(2)樣品移動馬達(步徑馬達) (3)樣品傳輸室
(4)偵測器 (5)液氦感測棒 (6)超導磁鐵 (7)鉑溫度計 (8)鍺溫度計 (9)約瑟芬元件 (10)杜瓦瓶架
(11)液氦杜瓦瓶(dewar)系統：容納液態氦(He4)之絕熱系統，使液態 氦被保持在及低溫下而不易蒸發。
37
圖 3-6 超導感應線圈
圖 3-7 約瑟芬元件示意圖
Super conductor Super conductor
Insulator
Cooper pair
𝜓 𝐿 𝑒 𝑖𝜙
𝐿𝜓 𝑅 𝑒 𝑖𝜙
𝑅38
當樣品置於杜瓦瓶中後，藉由超導感應線圈(如上圖 3-6)感應磁場強度大小即 可找出樣品中心，此時在藉由步徑馬達將樣品的中心與感應線圈的中心對齊便 可進行量測。實驗中分別改變外加磁場與溫度，由超導感應線圈感測樣品磁化 強度，在轉換成電流訊號晶由並連的約瑟芬元件(圖 3-7)便可精細的讀取出電 流、電壓值。
3-2-3 電性量測
四點量測
由於在高導電率材料或小電阻器件的電阻測量之中不僅電路中的接觸電阻 不可以忽略不計，甚至導線的電阻都不是無窮小量。因此在量測樣品電阻時我 們採用 4 點量測，如下圖 3-8，因伏特計與導線 cd 段的電阻較大所以電流直接 通過樣品而不流入此段，再讀取伏特計之值配合歐姆定率即可算出樣品電阻，
此法算出的電阻為樣品中的 cd 段，不會量測到導線的電阻，因此較為準確。
圖 3-8 四點量測示意圖
39
3-2-4 低溫比熱
本實驗以熱弛豫法(Thermal relaxation method)來量測比熱。優點為可以 量測重量很小的樣品(約0.5mg~1.5mg)，圖3-9中為一樣品座(Sample holder)，
主要材料為無氧銅，因為無氧銅的導熱性絕佳(環境熱庫)，以金絲連接晶片與 銅環。金絲一方面當作RuO2溫度計及Ni-Cr 加熱膜的導線，另一方面用來導熱 及散熱用。
圖 3-9 比熱晶片示意圖
假設在穩定絕熱環境 T中，給定電流當作加熱的能量於樣品上，等待其溫 度保持穩定後，樣品與環境溫度有一溫度差∆T。此時關閉電流，樣品溫度由 T+∆T回到T的時間為弛豫時間τ。由一開始給定的電流算出功率差∆P，因為熱傳 導係數 K=∆P∆T (若晶片四周真空夠好的話，晶片的放熱應全由金絲散熱)，此時
40
41
ln(T- T0)-ln(Th - T0) = - 𝐾
𝐶 t (3.2-6) ln𝑇−𝑇0
∆𝑇 = - 𝐾
𝐶 t = - 𝜏𝑡 (3.2-7) C = K τ
ln𝑇−𝑇0∆𝑇 = - 𝜏𝑡 (3.2-8)
電腦自動記錄放熱時間與溫度，自動繪出ln𝑇−𝑇0∆𝑇 與t的圖型，其斜率為τ。
由上述公式(3.2-3)可得樣品的熱容，除以樣品每莫耳重量即得樣品比熱。
比熱儀器介紹
He3棒如下圖3-10所示，整支棒子分三個部分。最上方圓筒(He3 storage dump)內裝He3氣體，內有管路向下經過Sorb 部分，經過1K 通到最下方He3 pot(He3 槽)。下方的部分，在做實驗時要用銅管套起來，製造一個真空腔體，
用渦輪泵浦(Turbo pump)抽真空至5 x 10-4 mbar，真空的目的是防止氣體導熱 及確保樣品熱量全由金絲散熱而不是由氣體散熱。整根棒子浸入裝滿液氦的杜 瓦瓶內。有兩根毛細管在銅管的外面，分別為1K 及Sorb。用抽氣泵浦抽毛細管 吸外面的液氦來冷卻1K 及Sorb 至1.5 K。Sorb 為He3的一部份內有活性碳。當 此活性碳在低於30 K 時有吸附作用，用來吸附He3氣體。溫度越低活性碳吸附
42
He3 能力越強。1K 主要用來凝結He3，當1K 低於2 K時He3筒內的He3氣體就開始 被1K 凝結成液體流到He3 pot。一般1K為維持在1.8 K 約 30 分鐘就可以將He3 全部凝結下來。在1K 上方有一個活性碳(Charcoal)，當1K 溫度保持在1.8 K 時，Charcoal 也跟著冷卻而具有吸附氣體的功能，可使IVC(內真空)的真空更 好。當1K 將He3完全凝結到He3 pot 後，抽毛細管吸外面液氦冷卻Sorb至4 K，
Sorb 內部的活性碳開始吸附He3 pot(He3 槽)內的液態He3，可使He3 pot 降溫至 0.3 K。He3 pot 下方裝上樣品座而待測的樣品就裝在樣品座上，如此可以提供 測比熱的低溫環境。
43
圖 3-10 低溫 He
3棒結構實際圖
(http://www.oxford-instruments.com/)
44
圖 3-11 低溫 He
3棒結構示意圖
(http://www.oxford-instruments.com/)
45