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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王瑞君
論文名稱:鈮超導薄膜上之複合式缺陷陣列與磁通渦漩的釘扎關係
論文名稱(外文):Vortex pinning by composite arrays of submicrometric defects in a superconducting Nb film
指導教授:洪連輝洪連輝引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:光電科技研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:105
中文關鍵詞:超導體
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本研究主要在鈮超導薄膜上製作蜂窩形陣列,改變其中心位置加入由小至大的釘扎缺陷,而形成複合式陣列。藉由中心位置缺陷的大小改變,缺陷的幾何圖形可由蜂窩形釘扎陣列漸變為三角形釘扎陣列,以探討匹配效應及其對應的磁通排列。進而探討蜂窩形陣列所構成的雞蛋盒的間隙,對磁通釘扎的影響。我們在鍍有氮化矽薄膜的基板上,利用電子束微影術及反應式乾蝕刻技術,製作複合式週期性六角形排列的圓形凹陷,其凹陷大小約為300 nm,間距約為400 nm。正六角形中心位置加入之釘扎缺陷的直徑分別為0、50、100、150、200、250、300 nm。利用直流濺鍍系統成長100 nm的超導鈮薄膜,薄膜會因基板上的凹陷造成皺摺,而在超導中成為釘扎中心。我們發現所有的樣品均有匹配效應產生,當外加磁場的磁通密度與缺陷密度相匹配時,磁通渦漩作用力與釘扎力互相平衡,造成磁通不易受羅倫茲力的影響而流動,此時臨界電流與電阻在磁場的變化下,分別有極大值與極小值產生。我們觀察到磁通渦漩被釘扎的順序,可藉由中心缺陷由小變大的過程而顯現出來。
我們觀察各個樣品臨界電流對磁場的關係圖,發現會有100G及50G間隔的峰值交錯出現,這是非常不同於三角形陣列的規律性150G間隔的峰值與六角形規律性100G間隔的峰值。並且有趣的是,我們發現50G間隔的峰值,會隨著中心小洞直徑的變大,而提前出現。藉由複合式陣列的設計,在從六角形中間的小洞逐漸變大的過程中,可觀察到磁通渦漩受小洞釘扎而形成穩定的狀態,會逐漸在較低的磁場即顯現出來,並使原本大洞的匹配磁場向高磁場順移。
第一章 緒論……………………………………………………….…...1
第二章 簡介………………………………………………………..…..6
2-1:超導體的發現……………………………………………..…...6
2-2:超導體特徵……………………………………………….……8
2-3:超導電性:jc、Tc、Hc(T)……………………………………..10
2-4:超導體的種類………………………………………………….12
2-4-1:第一類超導體……………………………………………12
2-4-2:理想第二類超導體……………………………………...13
2-5:混合態的磁通渦漩線…………………………………………14
2-6:GL方程………………………………………………………..16
2-7:磁通線結構…………………………………………………….18
2-8:兩個渦漩之間的相互作用能………………………………….22
2-9:非理想的二類超導與磁通釘扎………………………………23
2-10:磁通蠕動(flux creep)…………………………………………25
2-11:理想的磁通流動(flux flow)………………………………….28
第三章 實驗儀器與步驟………………………………………….… 31
3-1:實驗儀器與原理………………………………………………32
3-1-1 掃描電子顯微鏡之應用…………………………………..32
3-1-2 活性離子蝕刻法…………………………………………..36
3-1-3 鍍膜系統…………………………………………………..40
3-1-4 超導量子干涉儀…………………………………………..48
3-1-5 原子力顯微鏡……………………………………………..51
3-2:樣品製程………………………………………………………53
3-3:樣品量測………………………………………………………55
第四章 實驗結果與討論……………………………………………..59
4-1:樣品A-六角形缺陷陣列磁通渦漩匹配效應..………………61
4-2:樣品B-中央100 nm圓缺陷陣列之磁通渦漩匹配效應…....69
4-3:樣品C-中央150 nm圓缺陷陣列之磁通渦漩匹配效應……74
4-4:樣品D-中央200 nm圓缺陷陣列之磁通渦漩匹配效應..…. 79
4-5:樣品E-中央250 nm圓缺陷陣列之磁通渦漩匹配效應...….83
4-6:樣品F-三角形缺陷陣列之磁通渦漩匹配效應……………..87
4-7:匹配場與非匹配場電流與電壓的相對關係……………….. 92
4-8:複合式陣列對磁通排列的關係比較.. ………………………101
第五章 結論……………………………………………103
第六章 參考文獻……………………………………………………104
圖表索引
圖 2-1-1 水銀電阻(Ω)對絕對溫度的關係圖 .........7
圖 2-2-1 超導體的磁性 ....................9
圖 2-3-1 溫度、電流密度和磁場強度的臨界值曲面 ........11
圖 2-4-1 第一類超導體的磁性質 .................12
圖 2-4-2 第二類超導體的磁性質 ................14
圖 2-5-1 混合態的渦旋結構 ...............14
圖 2-5-2 混合態分布圖 .......................15
圖 2-7-1 一根磁通線在超導體上(a)為超導電子的機率分布(b)為
磁場分布(c)為超導電流的分布. ............21
圖 2-9 磁通渦旋線進入超導體內的情形 ..............24
圖 2-10-1 磁通線在超導體上的能量分布 .................25
圖 2-10-2 一根磁通線被釘扎中心束縛住。由於釘扎勢阱是對稱
的,磁通線向左或向右躍動的機率是相同的..............27
圖 2-10-3 一根磁通線被釘扎中心束縛住。由於釘扎勢阱是不對稱
的,磁通線傾向向低位能的地方躍動的......................27
圖 2-11-1 磁通流動的示意圖 .........................28
圖 3-1-1-1 掃描式電子顯微鏡之示意圖 ....................33
圖 3-1-1-2 SEM 儀器圖 ............................35
圖 3-1-2-1 等向性蝕刻(a)與非等向性蝕刻(b)示意圖 ...........36
圖 3-1-2-2 反應式離子蝕刻的裝置示意圖 ...........38
圖 3-1-2-3 RIE 儀器圖 .....................39
圖 3-1-3-1 物理沉積法的分類整理 ............41
圖 3-1-3-2 薄膜成長機制的說明圖 .............42
圖 3-1-3-3 濺鍍時金屬沉積過程 ..................45
圖 3-1-3-4 直流濺鍍系統 .....................47
圖 3-1-4-1 超導量子干涉儀的內部構造 .........49
圖 3-1-4-2 SQUID 儀器照片 .............50
圖 3-1-5-1 AFM 的基本架構示意圖 .........52
圖 3-1-5-2 原子力顯微鏡儀器圖 ...................52
圖 3-2-1 製作樣品流程圖 ..........................54
圖 3-3-1 AFM 掃出來的複合式缺陷陣列 .................56
圖 3-3-2 SEM 下六個樣品的缺陷排列 ..................56
圖 3-3-3 完整樣品的SEM 圖 ....................57
圖 3-3-4 量測接線示意圖 ....................57
圖 3-3-5 樣品量測時,實驗儀器的配置圖 .............58
圖 4-1-1 樣品A 電阻對溫度的關係圖 ...................61
圖 4-1-2 樣品A 不同溫度下臨界電流對磁場的關係圖..............62
圖 4-1-3 六角形單位晶胞示意圖 ...............65
圖 4-1-4 樣品A 在100G~850G 外加磁場下磁通渦漩排列圖….67
圖 4-2-1 樣品B 電阻對溫度的關係圖 ..............69
圖 4-2-2 樣品B 不同溫度下臨界電流對磁場的關係圖..............70
圖 4-2-3 樣品B 不同電流下電阻對磁場的關係圖 .......71
圖 4-2-4 樣品B 在100G~850G 外加磁場下磁通渦漩排列圖.....72
圖 4-3-1 樣品C 電阻對溫度的關係圖 .....................74
圖 4-3-2 樣品C 不同溫度下臨界電流對磁場的關係圖..............75
圖 4-3-3 樣品C 不同電流下電阻對磁場的關係圖 ...........76
圖 4-3-4 樣品C 在100G~900G 外加磁場下磁通渦漩排列圖.....77
圖 4-4-1 樣品D 電阻對溫度的關係圖 ...................79
圖 4-4-2 樣品D 不同溫度下臨界電流對磁場的關係圖..............80
圖 4-4-3 樣品D 在100G~850G 外加磁場下磁通渦漩排列圖......81
圖 4-5-1 樣品E 電阻對溫度的關係圖 .....................83
圖 4-5-2 樣品E 不同溫度下臨界電流對磁場的關係圖 .....84
圖 4-5-3 樣品E 在100G~700G 外加磁場下磁通渦漩排列圖.......85
圖 4-6-1 樣品F 電阻對溫度的關係圖 ......................87
圖 4-6-2 樣品F 不同溫度下臨界電流對磁場的關係圖 ......88
圖 4-6-3 三角形單位晶胞示意圖 ....................89
圖 4-6-4 樣品E 在150G~750G 外加磁場下磁通渦漩排列圖.....90
圖 4-7-1 樣品B 定溫下電壓對電流的關係圖(250G) .....92
圖 4-7-2 樣品B 定溫下電壓對電流的關係圖(350G) .......93
圖 4-7-3 樣品C 定溫下電壓對電流的關係圖(250G) ...........94
圖 4-7-4 樣品C 定溫下電壓對電流的關係圖(350G) .....95
圖 4-7-5 樣品C 定溫下電壓對電流的關係圖(400G) ..........96
圖 4-7-6 樣品C 定溫下電壓對電流的關係圖(500G) .....97
圖 4-7-7 樣品C 定溫下電壓對電流的關係圖(650G) ........98
圖 4-7-8 樣品C 定溫下電壓對電流的關係圖(750G) ......99
圖 4-7-9 樣品C 定溫下電壓對電流的關係圖(900G) .......100
圖 4-8-1 樣品 B~E 於0.986Tc 之臨界電流對溫度的關係圖.....101
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