超導薄膜物理與應用

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※　　　　　　　　超導薄膜物理與應用 　　　※

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計畫類別：□個別型計畫　　▉整合型計畫

計畫編號：NSC89－2112－M－009－030

執行期間：　88 年　8 月　1 日至　89 年　7 月　31 日

計畫主持人：郭義雄

共同主持人：溫增明、吳光雄、莊振益、陳登銘

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

▉出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：交通大學電子物理系

中　華　民　國　89　年　10　月　30 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

計畫編號：NSC 89-2112-M-009-030

執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日

主持人：郭義雄 交通大學電子物理系

共同主持人：溫增明、吳光雄、莊振益、陳登銘

計畫參與人員：王德俊、

absorption near-edge spectrum,

XANES)。在光譜定量分析技術上有一個非 常重要的關鍵，即所謂的自我吸收效應校 正 (self-absorption effect correction)，利用(110)YBCO 的吸收光譜 資料，可以檢驗現有的自我吸收效應校正 技術是否可以用在 YBCO 之類的銅氧化物光 譜分析。另外，x 光電場方向平行 YBCO 薄 膜 c 軸(E//c)吸收光譜是首次直接量得， 同時也確定了 E//c 光譜的形狀 關鍵詞：吸收光譜、釔鋇銅氧、高溫超導、 自我吸收效應 Abstract

Polarized x-ray absorption near-edge structure (XANES) has been considered a powerful tool to study the unoccupied electronic states in anisotropic compounds.

In YBa2Cu3O7 (YBCO), E//c and E//ab

spectra are both important to probe the hole carriers at different sites. However, the E//c spectra of the (001)-oriented thin films and single crystals can not be directly measured. In general, the E//c spectra are obtained by an indirect method. Moreover, the absorption spectra analysis involves a crucial technique of correction for saturation or so-called "self-absorption" effect, especially for compounds with strong background absorption. Using (110) YBCO thin films, we have measured the E//ab and E//c polarized O 1s XANES directly and employed the correction

by the self-absorption effect. The results suggest that the present correction technique for the self-absorption effect may also be applied to the complex compounds of cuprates.

Keywords: YBCO, high-Tc superconductor, XANES, self-absorption effect

二、緣由與目的

對於 concentrated 的樣品或是有基 板的薄膜，無法用直接穿透的方法來量取 其 x 光吸收光譜，一般多利用電子產率 (electron yield, EY) 取代直接穿透方法 量取吸收光譜。但是由於電子脫逸而出的 深度的限制，EY 只能量到樣品表面的特 性，對於表面特性與整體特性不相同的樣 品，EY 並不能得到樣品整體的特性。YBCO 高溫超導體的 XANES 就無法利用 EY 量得， 而替代方法即為螢光產率(fluorescence yield, FY)。但是利用 FY 得到的 XANES 會 有所謂的自我吸收效應的問題，會造成光 譜變形，因此在光譜分析上必須針對 self-absorption effect 做校正，目前已 發展的校正技術對於特定的金屬(如 Cr)與 簡單的氧化物(如 NiO)都已證明是有效 的，但是對於 YBCO 這樣複雜的銅氧化物， 還未有文獻報導研究現有自我吸收效應校 正技術的適用性。

由於 YBCO 的各向異性，E//ab 與 E//c 光譜可用以量測不同位置，如銅氧鏈(CuO chain)與銅氧平面(CuO2 plane)上氧原子 的電子結構。而從吸收光譜可以得到載子 密度分布，這些資訊可用以不同元素如 Pr 與 Ca 摻入 YBCO 後對超導性所造成的影響 [3, 4]。但是，(001)c 軸取向 YBCO 薄膜的

E//c 光譜無法直接量測，傳統的方法是旋 轉樣品薄膜改變薄膜表面與入射 x 光的夾 角，再以計算的方法來算得 E//c 光譜。在 這樣的過程中，self-absorption 效應的校 正是非常必要且關鍵的。 我們準備了(001)與(110)兩種取向之 YBCO 薄膜用以為實驗樣品，直接量取 E//c 與 E//ab O 1s 光譜，也利用間接的方法 得到 E//ab 光譜。據我們所知這是第一次 直接量到 YBCO 的 E//c 光譜。 比較直接量 得的 E//ab 光譜與利用間接計算的方法得 到的 E//ab 光可以檢驗現有的 self-absorption 效應的校正技術是否可以用於 高溫超導銅氧化物。同時也比較了(001) 與 (110) YBCO 的光譜差異。 三、結果與討論 實驗的配置圖請見FIG. 1，除了直接 量測得到E//c 光譜外，利用 E//ab 的實驗配 置再依據

I( á )=IE//ccos2( á ) + IE//absin2( á ), (1)

可以計算得到另一E//ab 光譜。 關於self-absorption 效應的校正則是 根據 b m a m m cos ) ( cos ) ( ) ( ) ( ) ( F total total o F E E E E I E I + µ C _{, (2)} 其中E 與 EF 是分別是入射x-ray 與激 發螢光的能量；IF(E) 是偵測得到螢光產率 的強度；I0 (E) 代表入射 x-ray 的強度； ìX(E) 是所要量測元素 X 的吸收係數 (absorption coefficient)；â 樣品表面法線與 偵測到螢光的夾角； ìtotal(E) 是樣品中所 有元素的吸收係數。 FIG. 2 顯示，原始與經過校正的 E//c 與E//ab 光譜。如同 FIG. 2(b)所顯示，(110)

YBCO 薄膜 E//c 光譜的 pre-edge 部分形狀

可以明確地確定，這對於YBCO 的 apical oxygen 的電子結構研究有很大的幫助。這 兩個光譜的比較也顯示，如果我們在這裡 所使用的self-absorption 效應的校正技術是 有效的，那麼未經校正的光譜的變形是不 能忽略的。尤其是在pre-edge 能量範圍部 分，對於載子濃度的分布計算，self-absorption 效應的校正是非常必要的。 FIG. 3(a) 所示 I( á ) of á = 60o, 75o. 的光譜。光譜隨著角度的改變而變化是由 於YBCO 的各向異性與 self-absorption 效應 所造成的變形。而利用間接方法與Eq. 1 計 算所得的E//ab 光譜則顯示於 FIG. 3(b)， 直接量得的E//ab 光譜與間接得到的 E//ab 光譜的比較可以用來檢驗現有的校正 self-absorption 效應的技術是否可用。 FIG. 4(a)和(b) 則顯示經過

self-absorption 效應校正前與校正後的 E//ab 光 譜。很明顯地經過校正後的兩個光譜比校

FIG. 1. The geometry arrangement of the incoming polarized x-ray and YBCO(110) thin films.

(c) I(a) (b) E//c (a) E//ab N a c x-ray E x-ray x-ray E E c c 5 2 5 5 3 0 5 3 5 5 4 0 5 4 5 5 5 0 5 5 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ( b ) E / / a b s p e c t r a o f ( 1 1 0 ) Y B C O b e f o r e s e l f - a b s o r p t i o n e f f e c t c o r r e c t i o n a f t e r s e l f - a b s o r p t i o n e f f e c t c o r r e c t i o n P h o t o n e n e r g y ( e V ) s ( M b a rn .u n it c e ll ) 5 2 5 5 3 0 5 3 5 5 4 0 5 4 5 5 5 0 5 5 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 F I G . 2 . T h e ( a ) E / / c a n d ( b ) E / / a b X A N E S o f t h e ( 1 1 0 ) - o r i e n t e d Y B C O t h i n f i l m . B o t h s p e c t r a b e f o r e a n d a f t e r s e l f - a b s o r p t i o n e f f e c t c o r r e c t i o n a r e d e p i c t e d . ( a ) E / / c s p e c t r a o f ( 1 1 0 ) Y B C O s ( M b a rn /u n it c e ll )

5 2 5 5 2 6 5 2 7 5 2 8 5 2 9 5 3 0 5 3 1 5 3 2 5 3 3 5 3 4 5 3 5 0 1 2 3 4 5 6 F IG . 3 . T h e a p p r o a c h in g p r o c e s s to o b ta in th e E // a b s p e c t r u m o f ( 1 1 0 ) Y B C O th in f ilm is s h o w n . ( a ) T h e s p e c tr a I(a) (a = 6 0o _{a n d 7 5}o_{) a r e m e a s u r e d b y} r o ta tin g th e th in film . ( b ) T h e E //a b (a = 9 0o_{) s p e c tr u m is c a lc u la te d a c c o r d in g} to E q .( 1 ) . A ll s p e c tr a s h o w n a r e c o r r e c te d fo r th e s e lf- a b s o r p tio n e ffe c t. ( b ) I (a ) o f ( 1 1 0 ) Y B C O a = 0o _{( E //c )} a = 9 0o _{( E //a b )} P h o to n e n e r g y ( e V ) s ( M b a rn /u n it c e ll ) 5 2 5 5 2 6 5 2 7 5 2 8 5 2 9 5 3 0 5 3 1 5 3 2 5 3 3 5 3 4 5 3 5 0 1 2 3 4 5 6 ( a ) I (a ) o f ( 1 1 0 ) Y B C O a = 0o ( E //c ) a = 6 0o a = 7 5o s ( M b a rn /u n it c e ll ) 正前要接近許多，這個結果顯示現有的校 正技術是可用的。 FIG. 5(a)和(b) 顯示了經過校正的 (001)與(110) YBCO 薄膜的 XANES 光譜，

兩種樣品E//ab 與 E//c 光譜的 peak 位置幾

乎完全相同，兩種樣品的E//c 光譜之間的 差異可能是由於(110)薄膜樣品中的(103)相 所引起的， 一般而言，(110)取向的的純度 無法達到100 % [5]。無論如何，從這些光 譜的比較可以知道我們所準備的(110)薄膜 純度非常高。目前我們還不知道造成兩個 樣品的E//ab 光譜的明顯偏離的原因，一個 可能的原因是(110) YBCO 薄膜的物理特性 基本上就與(001)薄膜並不相同，要解決這 個問題需要進一步的研究。 四、計畫成果自評 本實驗確定了現有的 x-ray 吸收光譜 有關 self-absorption 效應的校正技術可 用於 YBCO 等高溫超導銅氧化物，不但對於 高溫超導體吸收光譜定量分析技術有非常 重要的影響，而且第一次以直接的方法量 到 YBCO 薄膜的 E//c 光譜，對於 apical oxygen 的載子分布的研究亦有相當大的幫 助。 5 2 5 5 3 0 5 3 5 5 4 0 5 4 5 5 5 0 5 5 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ( a ) E //c s p e c tr a Y B C O ( 0 0 1 ) Y B C O ( 1 1 0 ) s ( M b a rn /u n it c e ll ) 5 2 5 5 3 0 5 3 5 5 4 0 5 4 5 5 5 0 5 5 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 F IG . 5 . T h e ( a ) E //a b a n d (b ) E //c s p e c tra o f (0 0 1 )- a n d (1 1 0 )- o rie n te d Y B C O th in film s . P h o to n e n e r g y ( e V ) ( b ) E //a b s p e c tr a Y B C O ( 0 0 1 ) Y B C O ( 1 1 0 ) s ( M b a rn /u n it c e ll ) 5 2 5 5 3 0 5 3 5 5 4 0 5 4 5 5 5 0 5 5 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 d ir e c t ly m e a s u r e d b y t h e a p p r o a c h in g m e t h o d ( b ) E / / a b ( a f t e r s e lf - a b s o r p t io n e f f e c t c o r r e c t io n ) o f ( 1 1 0 ) Y B C O P h o t o n e n e r g y ( e V ) s ( M b a rn /u n it c e ll ) 5 2 5 5 3 0 5 3 5 5 4 0 5 4 5 5 5 0 5 5 5 0 1 2 3 4 5 6 F I G . 4 . T h e c o m p a r is o n o f t h e d ir e c t ly m e a s u r e d E / / a b s p e c t r u m a n d t h e E / / a b o b t a in e d b y t h e t h e a p p r o a c h in g m e t h o d is s h o w n in ( a ) a n d ( b ) . ( a ) s h o w s t h e s p e c t r a b e f o r e t h e s e lf - a b s o r p t io n e f f e c t c o r r e c t io n a n d ( b ) s h o w s s p e c t r a a f t e r t h e d ir e c t ly m e a s u r e d b y t h e a p p r o a c h in g m e t h o d ( a ) E / / a b ( b e f o r e s e lf - a b s o r p t io n e f f e c t c o r r e c t io n ) o f ( 1 1 0 ) Y B C O s ( M b a rn /u n it c e ll )

五、參考文獻

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[4]M. Merz, N. Nücker, P. Schweiss, S. Schuppler, C.T. Chen, V. Chakarian, J. Freeland, Y.U. Idzerda, M. Kläser, G. Müller-Vogt, and Th. Wolf, Phys. Rev. Lett. 80, 5192 (1998)

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[6] S.P. Chen, J.Y. Juang, K.H. Wu, T.M. Uen, Y.S. Gou (unpublished)

[7]J.J. Yeh and I. Lindau, At. Data Nucl. Data Tables 32, 1 (1995)