磁化率量測

磁化率量測實驗所使用的儀器為Quantum Design^®的MPMS (Magnetic Property Measurement System)。本節就儀器構造、測量原理、實驗流程做 介紹。

§3.3.1 MPMS 基本構造

與PPMS 相似，MPMS 基本構造(圖 3-7)包含了杜瓦瓶、電腦控制系統，

及樣品插座。量測樣品空間溫度可為350 K 至 2 K。杜瓦瓶內的超導磁鐵，

可使樣品空間外加磁場至7 Tesla。待測樣品裝置於吸管中，藉由樣品傳送 馬達送至樣品測量空間。

圖3-7 MPMS (Magnetic Property Measurement System)基本構造[8]

§3.3.2 MPMS 測量原理

隨著世界對超導體認識與研究的進展，1962 年時 B. D. Josephson 將兩 個超導體中間夾一層絕緣層，發現了約瑟芬效應(Josephson effect)。緊接 著，1964 年 Ford Research Labs 就利用兩個約瑟芬元件並聯，設計出了超 導量子干涉元件(Superconducting Quantum Interference Device)。超導量子 干涉磁量儀(SQUID Magnetometer)有著非常高的磁場變化靈敏度，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，藉此作為磁訊號

分析工具。

我們量測樣品採用RSO 模式，測量時將樣品置於超導線圈中間，外加 磁場，接著使樣品往復進出線圈。樣品的感應磁場，隨著樣品在空間位置 移動，造成空間中磁場變化。測量超導線圈感應電流的變化，我們即可得 知樣品感應磁場的特性。

§3.3.3 磁化率量測實驗操作流程

使用 Quantum Design^® MPMS 進行磁化率實驗可以得到磁化率對外 加磁場的變化圖，即 M-H 曲線圖，以及磁化率對溫度的變化圖，即 M-T 曲線圖。實驗流程如下：首先將待測樣品秤重，接著固定在吸管中離上端 8.5 cm 的地方，可分 in plane 與 out of plane 兩個方向固定。將吸管裝上樣 品棒放入杜瓦瓶中，最後操作電腦控制系統進行量測。

磁化率對外加磁場的變化圖(M-H 曲線圖)：

一、 設定溫度：使樣品到達欲測量的溫度

二、 測量磁化率：將測量分成三段，第一段為外加磁場 H = 0 T 至 夠達飽和磁化率的外加磁場。第二段從最大的外加磁場到負的最大 外加磁場。第三段則從負的最大外加磁場到正的最大外加磁場。

如此順序測量，若樣品為鐵磁性樣品，則可以得到一個磁滯曲線。

磁化率對溫度的變化圖(M-T 曲線圖)：

一、 降溫：不外加磁場，將樣品從高溫降至欲量測溫區的最低溫。

二、 設定磁場：外加磁場至欲測量的磁場

三、 測量磁化率：從低溫開始測量至高溫。此段稱為ZFC(zero field cooling)。

四、 降溫：外加磁場不變化，將樣品從高溫降至欲量測溫區的最低 溫。

五、 測量磁化率：從低溫開始測量至高溫。此段稱為 FC(field cooling)。

如此順序測量，可以得到一組ZFC 與 FC 的 M-T 曲線圖。

Reference

[1] F.C. Chou, J. H. Cho, P. A. Lee, E.T. Abel, K. Matan, and Y. S. Lee, Phys.

Rev. Lett. 92, 157004 (2004).

[2] G. J. Shu, Andrea Prodi, S. Y. Chu, Y. S. Lee, H. S. Sheu, and F. C. Chou, Phys. Rev. B 76, 184115 (2007).

[3] 「非相稱性鈷氧化物結構與熱電性質之探討」，黃麗真，國立彰化師 範大學，2003 年物理研究所碩士論文。

[4] http://www.qdusa.com/index.html

[5] Heat Capacity Option User’s Manual by Quantum Design.

[6] J.C. Lashley J.C. Lashley, M.F. Hundley, A. Migliori, J.L. Sarrao, P.G.

Pagliuso, T.W. Darling, M. Jaime, J.C. Cooley, W.L. Hults, L. Morales, D.J.

Thoma, J.L. Smith, J. Boerio-Goates, B.F. Woodfield, G.R. Stewart, R.A. Fisher and N.E. Phillips, Cryogenics, 43, 369-378, (2003).

[7] 「Na_xCoO₂近緣吸收光譜之極性相依現象探討與比熱研究」，徐家治，

國立交通大學，2008 年物理研究所碩士論文。

[8] Reciprocating Sample Option User’s Manual by Quantum Design.