第三章 實驗方法
3.1 樣品製備-薄膜製備
在本節將說明 YBa2(Cu1-xZnx)3Oy ( x= 0、 0.05 )薄膜之製備過程。
3.1.1 靶材製備
靶材製備前須先寫出各化合物(Y2O3、BaCO3、CuO、ZnO)之反應式並 計算各化合物其分子量之莫耳數 YBa2(Cu0.95Zn0.05)3Oy 並配製每項化合物粉 末(其純度高達 99.9%以上)之克數，且倒入瑪瑙研缽中研磨均勻後將其倒至 氧化鋁坩鍋置入管狀爐當中，以 10 °C /min 升溫，在空氣中以高溫(>860°C) 進行 8 小時粉燒連續粉燒三次，且於每次燒完後再次研磨至均勻粉末，且 再提高 10 °C 進行粉燒，在粉燒過程中粉末的顏色將逐漸呈現深黑色，其重 量與體積也略為減少，此乃碳酸物質揮發失去之結果。粉燒三次後其粉末 再以高壓模具壓製成塊，放置於氧化鋁板上，送入管狀爐當中以 5 °C /min 升溫，在空氣中以高溫(3rd粉燒溫度再提高 10 °C)進行 24 小時燒結，燒完 後量測靶材密度，再持續將塊材搗碎成粉末再壓成塊材繼續置入管狀爐高 溫燒結，待達到所需靶材理論密度的 80%以上。表 3-1 為靶材之粉末與塊
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材燒結溫度。
表 3-1 燒靶條件
粉燒 1st溫度 粉燒 2nd溫度 粉燒 3rd溫度 塊材燒結溫度 YBa2(Cu0.95Zn0.05)3Oy 870 °C 880 °C 890 °C 900 °C
3.1.2 薄膜磊晶
本實驗使用脈衝雷射蒸鍍系統(PLD, Pulse Laser Deposition System)如 圖 3-1。此脈衝雷射蒸鍍系統所使用之 KrF 準分子雷射( HyperEx400，
Lumonics Excimer Laser)，光源波長為 248 nm，脈衝能量是 400 mJ/pulse，
經聚焦後估計雷射脈衝能量密度約為 4 J/cm2 ，脈衝頻率(Repetition rate) 5Hz，脈衝持續時間(duration) 約 12 ns。
圖 3-1 雷射蒸鍍系統裝置圖。
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鍍膜前基板的清潔與鍍膜時基板的溫度、氧壓及雷射能量、基板與靶 材的距離及旋轉靶材之轉速等因素均會影響薄膜的品質。因此進行蒸鍍薄 膜前，必須先找出成長的最佳條件。表 3-2 為可穩定製備出結構好、均勻度 佳的 YBa2(Cu1-xZnx)3Oy ( x= 0、 0.05 )薄膜之條件。
表 3-2 薄膜製備條件
蒸鍍溫度(oC) 氧壓(torr) 雷射能量(mJ) 雷射頻率(Hz)
YBa2Cu3Oy 750 0.3 400 5
YBa2(Cu0.95Zn0.05)3Oy 710 0.3 400 5
薄膜磊晶實驗步驟如下：
(a) 基板清潔
1. 將 SrTiO3基板放入裝有丙酮(acetone)溶液之燒杯中，再以超音波震盪器 去除油質及表面的殘留物，時間約 10 分鐘。
2. 將 SrTiO3基板放入甲醇(methanol)溶液中，利用超音波震盪除去表面殘 留的丙酮，清洗時間約為 10 分鐘。
3. 將 SrTiO3基板放入去離子水溶液中，超音波震盪除去表面殘留的甲醇，
時間約為 10 分鐘，最後用氮氣槍吹乾基板正反面 。
4. 將乾淨的基板使用高溫銀膠黏貼在加熱器基座上，並在大氣壓力下加熱 烤乾銀膠。
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(b) 鍍膜步驟其細說如下
1. 對光：利用 Nd:YAG 雷射檢視準分子雷射出光的路徑和位置，使雷射光 能打至靶材上，並留意基板須在火焰所能完全涵蓋到的範圍之內。
2. 抽真空：將已烘烤乾並黏有基板之基座放入高真空鍍膜室，開機械幫浦 (Rotary pump)進行初抽，抽至壓力小於 2×10-2 torr 時關機械幫浦閥門，
開渦輪幫浦(turbo pump)將真空腔抽至 5×10-6 torr 以下。
3. 薄膜成長：在加熱至蒸鍍溫度時填充氧氣至高真空鍍膜室，使其壓力為 0.3 torr、雷射功率為 400 mJ/pulse、頻率為 5 Hz ，當一切就緒時，即開 始旋轉靶材、啟動雷射開始鍍膜，其脈衝次數約為 3000p。真空腔內有 一不銹鋼金屬管(距基板約 4 公分)，能使氧氣經由管口向基板附近噴 出，令薄膜能得到足夠的氧含量。靶材與基板的距離約 4 公分左右，故 能確保濺鍍到基板上的原子或分子團的數目極少，可在緩慢且均勻的過 程進行成長。
4. 冷卻：鍍膜完成時，關掉加熱器，關閉抽真空閘，且於真空腔內通入大 量的氧氣，進行淬冷 (quench)，當溫度降至 50 °C 即可拿出樣品。
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