第三章 實驗方法
3.1 樣品製備-薄膜製備
在本節將說明 La2-xSrxCuO4 (0≦x≦0.4)系列樣品薄膜之製備過 程。
3.1.1 靶材製備
本實驗製作的樣品靶材為 La2-xSrxCuO4系列，我們採取的方式 為固態反應法進行製備。首先計算出各樣品的 La、Sr、Cu 的莫耳數 比 ， 再 由 其 比 例 推 算 出 所 需 混 合 的 粉 材 La2O3( 純 度 99.9%) 、 SrCO3(純度 99.9%)、 CuO(純度 99.999%)之重量，經微量天秤秤重 並均勻混合粉材，之後將混合的粉材倒入氧化鋁坩鍋，放入通以高純 氧的管狀爐中，以 10 ℃/min 升溫至 500 ℃預燒 1 小時，之後再升溫 至 1000 ℃做粉燒 8 小時，每次粉燒完之後再次磨成均勻粉末，並且 提高 10 ℃再進行粉燒，然後以 1 ℃/min 降溫至室溫，連續粉燒三次 至 1020 ℃後停止，每次粉燒完的樣品會漸漸變為黑色，體積及重量 都會略為縮小，這是因為碳酸物質揮發的結果。粉燒完成之後，將粉
1 ℃/min 升溫至 1020 ℃燒結 24 小時，然後以 1 ℃/min 降溫至室溫完 成燒結，燒結完成後測量其密度，再將其搗碎成粉狀再加壓成塊狀重 複塊材燒結。待完成的靶材其表面無裂痕且密度穩定無大幅度變化，
才停止燒結，得到本實驗用的靶材。
表 3-1 La2-xSrxCuO4靶材燒結條件
粉燒 1st溫度 粉燒 2nd溫度 粉燒 3rd溫度 塊材燒結溫度
La2-xSrxCuO4 1000 °C 1010 °C 1020 °C 1020 °C
3.1.2 薄膜磊晶
本實驗薄膜樣品製備是使用脈衝雷射蒸鍍系統(PLD, Pulse Laser Deposition System)如圖 3-1，成長膜厚約 300 nm 之薄膜樣品。此脈衝 雷射蒸鍍系統所使用之 KrF 準分子雷射( HyperEx400，Lumonics Excimer Laser)，雷射光源波長為 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。
鍍膜前基板的材質選用與清潔、鍍膜時基板的溫度、氧壓及雷射 能量、基板與靶材的距離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 。 本實 驗所使 用 之 基板 為 LaSrAlO4(001)，其基板之選定是由於 SrTiO3(001)與 La2-xSrxCuO4間晶 格不匹配，導致 Tc無法成長與文獻報導一致且達到 La2-xSrxCuO4系列 最高 Tc[14]，故依成功長出高 Tc樣品之文獻[15]，選擇晶格匹配程度 更高基板成長，如表 3-2。表 3-3 為可穩定製備出結構好、均勻度佳 的 La2-xSrxCuO4 (x=0, 0.18, 0.4)薄膜之條件。
表 3-2 晶格匹配比較表
a(Å ) c(Å ) Lattice mismatch for a (％)
La2-xSrxCuO4 3.777 13.23
LaSrAlO4 3.762 13.29 0.40 SrTiO3 3.837 13.18 -1.56
表 3-3 薄膜製備條件
蒸鍍溫度(oC) 氧壓(mTorr) 雷射能量(mJ) 雷射頻率(Hz)
La2CuO4 780 300 240 10
La1.82Sr0.18CuO4 790 300 240 10
La1.6Sr0.4CuO4 780 300 240 10
薄膜磊晶實驗步驟如下：
(a) 基板清潔
1. 將基板放入裝有丙酮(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。
(b) 鍍膜步驟
1. 抽真空及升溫：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)將壓力抽至約 2×10-2 torr。同時設定基座 升溫速率及持溫溫度。
2. 對光及薄膜成長:在加熱至蒸餾溫度時填充氧氣至真空鍍膜室，
使其壓力、雷射功率、雷射頻率如表 3-2。啟動雷射進行對光，使 雷射光打至靶材上，並使基板位置對準火焰所涵蓋位置。之後將 火焰及基座之間遮罩移除開始鍍膜，鍍膜時靶材與基板的距離約 6 公分左右，確保濺鍍至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。
3. 冷卻:鍍膜完成時，關畢雷射及加熱器，關閉抽真空閘，且於真空