行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告期中進度報告

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫□成果報告■期中進度報告新穎掃瞄SQUID與穿隧顯微鏡之製作及其在研究非均相物理系統之應用(2/3)AnovelscanningSQUIDandtunnelingmicroscopewithapplicationsinstudyinginhomogeneoussystems(2/3)計畫類別：■個別型計畫□整合型計畫計畫編號：NSC95－2120－M－007－009－執行期間：95年8月1日至96年10月31日計畫主持人：齊正中教授共同主持人：劉祥麟副教授、牟中瑜教授、陳引幹教授、唐宏怡副教授、錢凡之教授、林大欽助理教授、杜昭宏助理教授、黃英碩研究員、王明杰副研究員、陳至信研究員計畫參與人員：廖延宗博士成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告□完整報告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二份□國際合作研究計畫國外研究報告書一份處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢□涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢執行單位：國立清華大學奈微與材料科技中心(舊稱材料科學中心)中華民國96年8月27日附件一中英文摘要及關鍵詞(keywords)中文摘要執行本計畫第二年的進度，包含完成低溫掃瞄穿隧顯微鏡(LT-STM)的建造與測試，發展出一套方法量測針尖的磁化率，組裝出掃瞄量子干涉顯微鏡(SSM)和室溫磁導式掃瞄量子干涉顯微鏡(Flux-guideSSM)，以及於非均相物理所同時進行研究。我們LT-STM的效能是透過在4.3K觀察Si(111)7×7表面重構來檢定。雖然這個表面巳被研究超過20年，在這個新完成的LT-STM上我們還是發現了一個從未被報導過的新現象。因而我們暫緩整合SQUID晶片入LT-STM的計畫。我們發現在4.3K真空穿隧電流於硼摻雜(0.05~0.1Ω-cm)的Si(111)7×7的表面上有一限值。對樣品之於樣品徧壓2V時，當鉑銥合金的針尖穿隧電流設定值超過320pA時，針尖會碰觸到樣品表面。然而，相同情形在6K時7×7的表面，卻可由掃瞄真空穿隧的針尖觀察到。掃瞄穿隧能譜顯示此現象可能於leV附近的電子態密度(DOS)的變化有關。為量測針尖的磁化率，我們發展出一新的音叉式磁力顯微鏡。磁針(permalloytip)的一端繞上線圈另一端即為針尖。將此磁針黏著在系統的音叉上即成一音叉式掃瞄磁力顯微鏡。此系統巳成功地在原子力顯微鏡的模式下操作，我們正在努力完成磁力顯微鏡的部分。理論上，我們可以利用此系統來估計針尖的磁矩，並得知其磁化率。在改善了SQUID晶片的設計後，SQUID的雜訊巳降至可接受的範圍，這對SSTM的磁靈敏度是相當重要的。在LT-STM導入SQUID前，我們組裝了SSM及Flux-guideSSM當成學習工具，以協助了解結合SSM與STM所可能遭遇的問題。於非均相物理的並行研究，我們持續探索新穎氧化物的物理性質。如摻入奈米潻加物的Sm-Ba-Cu-O的超導磁通釘札機制。關鍵詞：低溫掃瞄電子穿隧顯微鏡、掃瞄量子干涉顯微鏡、掃瞄量子千涉及穿隧顯微鏡、非均相物理系統、龐磁阻材料、電荷密度波材料、磁通釘札。英文摘要Inthesecondyearofthisproject,thepartofthelow-temperaturescanningtunnelingmicroscope(LT-STM)inthescanningSQUIDandtunnelingmicroscope(SSTM)hasbeentested.TheperformanceofthisSTMwascheckedbyobservingtheSi(111)7×7surfacereconstructionat4.3K.Althoughthissurfacehasbeenstudiedintenselyformorethan20years,wediscoveranewphenomenonnotbeenreportedbeforebyusingthisnewlybuiltLT-STM.WepostponedtheincorporationofSQUIDchipandthetestonoxidesuperconductorsforawhilebecauseofthisunexpectedphenomenon.Thereisalimitationofvacuumtunnelingcurrentinscanningthissurface(Borondoped,0.05~0.1Ω-cm)at4.3K.WefoundthataPtIrtip(samplebias2V)willphysicallycontactwiththesurfaceafterthecurrentsetpointislargerthan320pA,whilethesame7×7reconstructionstructurecanberesolvedinthesetpointof1nAat6K.Thescanningtunnelingspectroscopy(STS)revealedthatthisphenomenoncouldrelatetoanevolutionofdensityofstate(DOS)near1V.TowardthescanningSQUIDdevelopment,weneedTomeasurethesusceptibilityoftheveryendofthepermalloytip(adiameterof30nm).Wedevelopedaschemetosolvetheproblem.Thetuning-forkSFMhasbeenprovedtobeabletoresolvethesurfacestructure.Hereweemployedapermalloytipwithacoilwoundontheotherendofthetip.ThecapabilityofAFMhasbeenshownbyusingthisschemeandwearenowtryingtoresolvethemagneticstructuresofsomeinterestingsamples.Inprinciple,wecanusethissetuptocalibratethemagneticmomentofthetipandthenestimatethesusceptibilityofthetip.TheSQUIDchipfortheSSTMhasbeenmodifiedtoreducethenoiselevel,whichiscrucialforthemagneticsensitivity.BeforeincorporatingtheSQUIDchipintotheLT-STM,wehavedevelopedseveralschemes,suchasIBM-typescanningSQUIDmicroscope(SSM)androom-temperatureflux-guideSSM,aslearningtoolstotackleproblemsofconstructingthisnovelSSTM.Onparallelstudies,wecontinueinstudyingthephysicalpropertiesofnoveloxides,suchasfluxpinningofSm-Ba-Cu-Owithnanoscaleadditives.Keywords:Low-temperaturescanningtunnelingmicroscope,ScanningSQUIDmicroscope,ScanningSQUIDandtunnelingmicroscope,Inhomogeneity,Colossalmagnetoresistancematerials,Chargedensitywavematerial,Vortexpinning.報告內容：包括前言、研究目的、文獻探討、研究方法、結果與討論(含結論與建議)…等Themaingoalofthisproposalistoconstructanovelscanningprobemicroscope(SPM)andtostudytheinhomogeneityoftransitionmetaloxideinparallel.Hopefully,thenovelSSTMwithatargetresolutionof10nmtoresolveamagneticfeatureof1mGcouldbeausefultooltostudytheintricatephenomenonofinhomogeneityinthestronglycorrelatedelectronsystem.WecombinethemeritsofalowtemperaturescanningSQUIDmicroscope(SSM)andascanningtunnelingmicroscope(STM)withtheinnovativeideaofusingahigh-permeabilitySTMneedleandaschemeoftransferringthemagneticfluxtoahigh-sensitivitySQUIDchip.ThisuniqueinstrumentSSTMiscapableofmeasuringlocalmagneticfieldsandlocalelectrondensityofstatessimultaneously.Meanwhile,SSTMhasanatomicresolutionandthecapabilityofscanningtunnelingspectroscopyinSTMmode.Thisprojecthasalmostgonethroughatoughsecondyearintestingthiscustom-designedUHVLT-STMandmakingnumerousmodificationsforbettersignal-to-noiseratio.SincethisisanUHVsystem,weexaminedthecapabilityofthisinstrumentbystudyingtheSi(111)7x7reconstructionsurface(Fig.1).Figure1istheimageofconstantcurrenttopographytakenat300pAand11K.Thisfigureshowstwocompleteunitcellsofthe7x7reconstructionsurface.Thetwelveadatomsofeachunitcellhavebeenclearlyresolvedatlowtemperature.EachcornerholehasasharpcontrastwithSiadatoms,whichdemonstratesthezstabilityofthisSTM.AccordingtoEq.1(∫+−=eVtsdEreVETEeVrErI0),,(),(),(ρρ)andEq.2()2222exp(),(EeVmZeVETts−++−=ϕϕh)inRef.1,thetunnelingcurrentisinfluencedbytheDOSoftipandsample,andthetunnelingprobabilitydensity.Thetunnelingprobabilitydensitydecaysexponentiallywiththedistancebetweenthetipandsample.Varyi