本篇論文主要探討量子尺寸效應對鉭與鋁塊材和奈米微粒之超導性影響的研究，我們利用熱熔法製作鉭與鋁的塊材，利用準分子雷射製作鉭與鋁的奈米微粒樣品，再利用比熱儀與超導量子干涉磁量儀量測其比熱與磁化率等性質。一般塊材的鉭以立方體結構存在，此種結構的鉭稱為α-Ta，α-Ta為具超導性的超導體TC=4.48K，在鉭的奈米微粒研究中我們發現，樣品中除了原先的立方體結構外，也開始含有不具超導性的長方體結構(β-Ta)，且隨著粒徑的縮小，β-Ta在樣品中的含量也開始增加。在比熱的量測中我們看到隨著粒徑的縮小，樣品能階的劈裂開始變大，當能階的劈裂大於超導的能隙時，樣品將不復有超導性，所以奈米微粒的樣品中，超導在比熱上造成的峰值變的微弱。在磁性的量測部分我們看到隨著粒徑的縮小，奈米微粒樣品的抗磁性變的越來越弱，並且開始有磁滯曲線的現象發生，磁滯曲線的發生是由樣品本身的特性或是雜質所造成的，需要再進一步的討論。
    在研究鋁的奈米微粒物性時，我們看到其超導溫度沒有太大的改變，但超導在比熱上所造成的峰值同樣隨著粒徑的縮小而變的微弱。

The main purpose of this article is to study the properties of superconductivity about Al, Ta bulk and the nanoparticles and try to analyze the quantum size effect. We make Al and Ta bulk into nanoparticles by Excimer Laser. By studying specific heat and magnetic susceptibility, the correlations of superconductivity and magnetism with the size of Al and Ta were reported. In studying the physical properties for nanoparticles of Tantalum, the content of β-Ta which structure is tetragonal increases with particle size decrease. The superconductivity will no longer exist when the electronic energy level splitting is larger than the energy gap of superconductivity. So the suppression of superconductivity in nanoparticles may come from both the β-Ta which is not superconductive and the energy level spacing. That is why the superconductivity is more and more weak when the particles size decrease. In studying the physical properties for nanoparticles of aluminum, we can also see the superconductivity be suppressed by the energy level spacing.

目錄
致謝………………………………………………………………………i
中文摘要………………………………………………………………ii
英文摘要………………………………………………………………iii
目錄……………………………………………………………………iv
圖目錄…………………………………………………………………vi
表目錄…………………………………………………………………ix
第一章	序論
1-1 奈米微粒…………………………………………………………1
1-2 超導體……………………………………………………………4
第二章	基本原理
2-1 超導原理…………………………………………………………6
2-2 比熱原理…………………………………………………………9
2-3 磁性原理…………………………………………………………16
2-4 量子尺寸效應……………………………………………………20
第三章	樣品製作與量測
3-1 樣品的製作………………………………………………………21
3-1-1弧光放電法製作準分子雷射濺鍍靶材…………………………21
3-1-2準分子雷射濺鍍製作奈米微粒…………………………………24
3-2 X光繞射之量測與成份分析………………………………………28
3-3 樣品物性的量測…………………………………………………31
  3-3-1比熱量測………………………………………………………31
  3-3-2磁性量測………………………………………………………36
第四章	結果與討論
4-1 XRD實驗結果………………………………………………………39
  4-1-1 鉭元素XRD實驗結果…………………………………………39
  4-1-2 鋁元素XRD實驗結果…………………………………………48
    4-2 比熱實驗結果………………………………………………52
  4-2-1 鉭的比熱實驗結果…………………………………………53
  4-2-2 鋁的比熱實驗結果…………………………………………60
4-3 磁性實驗結果……………………………………………………66
結論……………………………………………………………………71
參考文獻………………………………………………………………73








圖目錄

圖1.1  樣品在不同維度時Density of states v.s. Energy的關係圖……2
圖1.2  不同尺寸的能階示意圖………………………………………3
圖1.3  汞金屬在低溫時的零電阻現象………………………………4
圖1.4  麥斯納效應（Meissner effect）……………………………5
圖2.1  第一類與第二類超導體在外加磁場下的磁感應性質………7
圖2.2  magnetized bar………………………………………………16
圖2.3  磁性的磁矩M、磁場H與溫度T關係圖………………………18
圖2.4  磁滯曲線………………………………………………………19
圖3.1  弧熔爐(Arc melting furnace)示意圖……………………21
圖3.2  準分子雷射濺鍍系統…………………………………………27
圖3.3  雷射、樣品與收集盤相對位置及雷射剝層示意圖………27
圖3.4  X-ray繞射示意圖……………………………………………28
圖3.5  比熱量測樣品座(Sample holder)構造圖…………………31
圖3.6  He3棒降溫系統結構…………………………………………35
圖3.7  超導量子干涉儀 (SQUID) .…………………………………36
圖3.8  超導量子干涉儀內部構造簡圖………………………………37
圖4-1.1  鉭塊材的X-Ray繞射實驗圖形……………………………39
圖4-1.2  鉭塊材的X-Ray繞射結果文獻圖…………………………40
圖4-1.3  鉭塊材利用外插法至原點得晶格常數a=3.3015 Å…………41
圖4-1.4  鉭奈米微粒的X-Ray繞射實驗圖形………………………43
圖4-1.5  元素鉭的tetragonal結構X-Ray繞射結果文獻圖………43
圖4-1.6  鉭奈米微粒的Cubic晶格常數比較圖……………………44
圖4-1.7  鉭奈米微粒的Tragonal晶格常數比較圖…………………45
圖4-1.8  鉭奈米微粒的Tragonal晶格常數比較圖…………………46
圖4-1.9  鉭塊材與奈米微粒的Tetragonal晶格常數C/a值比較圖…47
圖4-1.10  鋁塊材的X-Ray繞射實驗圖形……………………………48
圖4-1.11  鋁塊材的X-Ray繞射結果文獻圖…………………………49
圖4-1.12  鋁塊材利用外插法至原點得晶格常數a=4.051 Å……………49
圖4-1.13  鋁奈米微粒的X-Ray繞射實驗圖形………………………50
圖4-1.14 鋁奈米微粒的晶格常數比較圖……………………………51
圖4-2.1  鉭塊材與奈米微粒的C(T) 比熱數據圖…………………53
圖4-2.2  鉭塊材與奈米微粒的C/T(T2) 比熱數據圖………………54
圖4-2.3  Ta塊材fit C/T(T2)的比熱數據圖………………………55
圖4-2.4  鉭奈米微粒21nm fit C/T(T2) 之比熱數據圖…………56
圖4-2.5  鉭奈米微粒14nm fit C/T(T2) 之比熱數據圖…………56
圖4-2.7  鉭奈米微粒的C/T(T) 比熱數據圖………………………58
圖4-2.8  超導態的電子部份的熱容量Ces以對數尺度對Tc/T作圖…59
圖4-2.9  鋁塊材與奈米微粒的C(T) 比熱數據圖…………………60
圖4-2.10  鋁奈米微粒的C/T(T2) 比熱數據圖……………………61
圖4-2.11  Al塊材的比熱C(T2)數據圖………………………………61
圖4-2.12  鋁奈米微粒large size fit C/T(T2) 之比熱數據圖…62
圖4-2.13  鋁奈米微粒middle size fit C/T(T2) 之比熱數據圖…62
圖4-2.14  鋁奈米微粒small size fit C/T(T2) 之比熱數據圖…63
圖4-2.15  鋁奈米微粒的C/T(T) 比熱數據圖………………………64
圖4-2.16  超導態電子部份的熱容量Ces以對數尺度對Tc/T作圖…65
圖4-3.1 鉭塊材與奈米微粒的磁化率量測圖………………………67
圖4-3.2 鉭塊材在超導態時的M(H)圖………………………………68
圖4-3.3 鉭塊材與奈米微粒在超導態時的M(H)比較圖……………69
圖4-3.4 鉭塊材與奈米微粒在正常態時的M(H)比較圖……………70












表目錄

表3.1  準分子雷射使用之氣體與其產生之波長對照表……24
表4-1.1 粒徑大小與β- Ta含量關係表………………………44
表4-1.2 鋁奈米微粒晶格常數比較表…………………………51
表4-1.3 鋁奈米微粒半高寬比較表……………………………51
表4-2.1 鉭塊材與奈米微粒之γ值與β值比較表………………57
表4-2.2 鉭塊材與鋁塊材之γ值與β值比較表…………………64

參考文獻

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