一 一
一、 、 、 、緒論 緒論 緒論 緒論
1-1 穿隧效應的簡介穿隧效應的簡介穿隧效應的簡介穿隧效應的簡介
第一個金屬/氧化層/金屬穿隧接點是由 Giaever[1](1973 年諾貝爾物理獎得主)所製 作出來的。如圖1-1，Giaever 的想法是假設有一個人在高牆的一邊丟網球，只要丟球次 數夠多，一定會有一顆網球能夠在不破壞牆壁的情況下穿過牆壁到另一邊去，但是這種 情形發生的機率在古典力學的觀念中是趨近於零的，但是，只要把網球的尺寸縮小，以 及增加網球的數量，就能夠達成實驗的條件。因此，只要將兩塊金屬靠得很近，但是彼 此之間沒有接觸，就可以將金屬內的電子視為非常小的球，而兩塊金屬間的空隙就可以 視為一道高牆，此時的情況就可以用量子力學的角度來看，穿隧效應是有可能會發生的。
不過在實驗的一開始就遇上了困難，因為在穿隧效應中絕緣層厚度是不能超過約 100Å 的，而震動的問題就成了實驗上的困難，因此在兩塊金屬間隔著空氣或是真空是行 不通的。接著他想到了在兩塊金屬中間放置絕緣層，所以他使用一些絕緣的塗料塗在兩 金屬間，但是這種絕緣層做出來後可能會有一些小漏洞，導致兩金屬間的接觸，以致於 部分電子是直接流過絕緣層中的漏洞，而且量測到的現象也都無法重覆。最後，他終於 想到了使用金屬氧化物作為絕緣層，利用蒸鍍的方式，將金屬薄膜鍍在載玻片上，接著 將薄膜放置在空氣中使其自然氧化，最後再鍍上第三層金屬，如此金屬/氧化層/金屬的 穿隧接點便完成了(如圖 1-2)。
約在1959 年的四月，Giaever 成功的完成了穿隧接點的實驗，他的實驗結果也是合 理且可重複的。Giaever 的成功不但可以藉由實驗來證明電子的波動性，也為之後穿隧 效應實驗的進步有很大的貢獻。
圖1-1 (A)穿隧效應假想圖。有一個人向牆壁丟球，其穿遂機率趨近於零。(B) Giaever 將穿隧效應轉化為實驗的想像圖。兩金屬中間隔著一真空層，電子可以當作是 球，真空層可以當作是牆壁。(C)穿隧效應的能量分布圖。兩端電子的能量不 足以穿過中間的位壘，但是可以藉由穿隧效應使兩端電子在位壘中移動。[1]
圖 1-2 (A)、(B)為穿隧接點的製作圖形，先用金屬遮罩在載玻片上蒸鍍出長條形狀的 金屬薄膜，接著將其暴露在空氣中使其表面氧化，成長出絕緣層(絕緣層厚度 和當時的溫度、溼度和氧化時間有關)，最後鍍上第三層金屬使其圖形橫跨過 絕緣層。(B)、(C)為穿隧效應量測線路示意圖。[1]
1-2 研究動機與方向研究動機與方向研究動機與方向研究動機與方向
我們對於磁性物質在穿隧接點中的現象感到有興趣，因為少量的磁性雜質可能會產 生Kondo 效應或是 RKKY(Ruderman, Kittel, Kasuya, Yosida)效應，但是透過電阻的量測 我們只能看到溫度對電阻的影響(磁性雜質對能量的微擾反映在電阻上)，無法看到偏壓 的影響。而透過穿隧接點的量測，我們不但能夠看到溫度對微分電導的影響，更可以看 到偏壓對微分電導的影響(在穿隧效應的實驗中，磁性雜質對能量的微擾反映在微分電 導上，因此對金屬量測其電阻和對其量測穿隧效應之微分電導所得到的效應是可以類比 的)。
而金屬Y 在塊材裡是沒有磁性的，雖然它的 d 層軌域有一顆獨立電子，但是其磁矩 在塊材中是會被平均掉的，因此，我們單純的量測其電阻，不會看到我們所預期的結果。
從文獻中我們看到，在只有幾顆Y 原子時是會產生磁矩的(如圖 1-3 所示)，因此我們將 Y 鍍在表面覆蓋一層 AlOx 的金屬 Al 上，在 Y 及 AlOx 的接觸面上很有可能會有獨立的 Y 原子團產生，也因此產生了磁矩。[2]
而且大部分有討論到Kondo 效應與 RKKY 效應的實驗文獻，大都是量子點的量測 [3,4,5]，或是合金的電性量測[6,7,8]，因此我們也可以把這些效應的研究拿到巨觀的穿 隧接點上來討論，所以我們設計了這個實驗。
圖1-3 此圖是由 Knickelbein 透過 Stern-Gerlach 實驗所得到的結果。橫軸的 n 是原子的 個數，在某幾個特定的個數時會有較大的磁矩產生。[2]