・本實驗室主要研究方向：

1、 高溫超導銅氧化物與新穎鐵基超導之電傳輸物理機制:

　　1986年4月，兩位歐洲的科學家J.G. Bednorz和K.A. Muller開創了超導材料的新紀元，他們發現了La-Ba-Cu氧化物超導體，其超導溫度 Tc 超過30 K。這結果在經過其他研究者確認後，自此全世界掀起了發現新超導材料的熱潮。

　　包括1987年朱經武等人發現了具突破性的氧化物超導體:Tc達92 K的YBa2Cu3O7-X，這是首次發現可在液氮溫度運作的超導材料等。Bednorz和Muller兩人也因此獲得了1987年諾貝爾物理獎。然而高溫超導銅氧化物之超導物理機制至今仍是未解之謎。

　　2008年初一種基於鐵砷層面的新型超導材料LaFeAsO1-xFx之發現，其超導轉變溫度高達26 K，由於超導與鐵磁為相悖離之物理性質，此一發現為超導研究領域又掀起一波熱潮—鐵基超導材料之研究，這些新穎超導現象提供探討超導機制的新契機。新的鐵基超導材料與高溫超導銅氧化物具有一些共同的特徵，也有不同之處。例如:它們都具有層狀結構，超導特性發生在銅氧層或鐵砷層平面，超導性質也都出現在反鐵磁(antiferromagnetic)態或自旋波(spin density wave)被抑制(以掺雜方式)後發生，此顯示鐵原子(或高溫超導之銅原子)之自旋漲落(spin fluctuation)扮演超導發生機制之重要角色。

　　目前之理論著重在量子臨界現象(quantum criticality)的架構下，探討量子磁性變動(quantum magnetic fluctuations)的本質；形成一廣泛熟知之量子臨界點(quantum critical point, QCP)相圖。其中一個尤為奇異的現象是在低量摻雜(underdoped)區域“假能隙(pseudogap)”的存在，有關它的起源以及與超導之間的 關係就一直是研究高溫超導機制的重要核心，目前我們也正以磁阻/霍爾傳輸特性檢驗相圖中因假能隙產生之費米液態(Fermi-liquid state)非費米液態(Non-Fermi-liquid state)轉變。

2、超導/磁性應用元件與系統：

　　超導量子干涉元件(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)是目前世界上已實用化的最敏感磁性感測元件，其可量測到地球磁場(~0.5 Gauss)十億分之一以下的磁場強度(~1 fento-Tesla)，所以在極微小磁場量測方面的應用非常重要。

　　SQUID目前已被廣泛的應用於各種磁性量測領域，如:材料磁性分析、地質探勘、生物磁場量測、電子自旋量測，重力波量測…等。以往由於超導特性必須在極低溫之下才會展現，傳統超導體大多是仰賴液態氦來冷卻，但液態氦價格已日趨昂貴，起因於全球氦氣的自然存量已經趨於枯竭，且氦氣目前尚無法由人工大量合成，氦氣的價格必將會日益水漲船高。如此一來只需以價錢相當便宜之液態氮冷卻的高溫超導元件，就變得極具發展潛力與商業應用價值。

　　然而，由於高溫超導體材料成分複雜且晶體結構特殊的陶瓷特性，在製作成元件前，須利用薄膜技術將高溫超導薄膜成長於某些晶體的特殊基座上，使得高品質的高溫超導薄膜磊晶不易，因此高溫超導元件的製作困難且良率不高，本實驗室在早年也曾發表過薄膜成長過程與特性的 關鍵文章[例如: L. M. Wang et al., “ Mixed- State Hall Effects in YBa2Cu3Oy/PrBa2Cu3Oy Superlattices”, Phys. Rev. Lett. 78, 527(1997)，是台灣本土首篇被PRL接受之高溫超導論文。]，所以目前大多數商業化的超導產品仍大多是採用低溫超導材料來製作。最近我們以晶軸夾角22.6°的SrTiO3雙晶基板所製作之YBaCuO dc-SQUID磁量計，以直接耦合(direct-couple)式設計於1x1 cm^2基板，其電壓調制幅度VPP為13μＶ，而磁場雜訊在4 KHz (77 K)時約為10 μΦ0/Hz1/2。此元件在外加螺旋平面輸入線圈後，已可以應用於核磁共振(nuclear magnetic resonance)系統。

　　此外，如何將高靈敏SQUID元件取代傳統的感應線圈，應用於奈米磁性粒子之交流磁化率的量測系統以改善系統之偵測極限，並開 發磁性試劑免疫檢驗系統，為目前之一研究重點。由於奈米磁性粒子與蛋白質分子具同樣之尺度大小，奈米磁性粒子成為可與生物蛋白質分子結合而用於磁性試劑免 疫檢驗之載體。變頻交流磁導率量測法具有很大的動態範圍，可同時量測高濃度及低濃度之樣品。且待測生物蛋白質分子是藉由生物探針(bioprobe)直接 與奈米磁性粒子結合上，與傳統之生醫檢測法相較起來具有較簡便的檢驗程序。此外，待測生物蛋白質分子本身不具磁性，不會對檢測訊號產生干擾，人體的血液中 許多微量蛋白質組成的變化，能作為健康狀況或疾病風險之指標，所以若能有效且快速地鑑定出這些微量蛋白質的變化，就有助於疾病的早期診斷，並達到早期治療的目的。

　　另一方面，高溫超導體在超導態時，具極低之表面阻抗，且可在77 K以上工作，是為近年來高溫超導體應用研究最受重視且愈趨成熟的項目之一。我們自行設計、組裝雙濺鍍槍真空鍍膜系統，以成長高品質、大面積(~4 x4 cm2)YBa2Cu3Oy(YBCO)薄膜，提供足夠高溫超導濾波器設計需求之雙面YBCO薄膜，再經無塵室光微影製程技術與網路分析儀之微波特性量測系統之建立，使本實驗室在此一研究能力更完整，此系列之多年來研究已成為本實驗室在高溫超導應用領域之特色研究之一。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　　

 

 

 

    

 

 

              

                                  (a)Directly-coupled type SQUID (b)Washer type SQUID

                                  (c)High-Tc superconductiong planar input coil

                                 (d)Superconductiong planar input coil on SQUID

 

 

 

 

3、 光電材料與元件:近 年來透明導電氧化物材料 (Transparent Conducting Oxide，TCO)應用領域不斷地擴大，已成為光電材料研究的熱門主角，其用途極為廣泛，可用於太陽能電池、平面顯示器及光電偵測器等。其中氧化物稀磁性半導體(dilute magnetic semiconducting oxides)材料應用於光電元件或自旋電子元件之研究亦相當熱門。

　　我們以RF磁控濺鍍製程在玻璃基板上成長Fe:ZnO薄膜，發現其具有室溫之磁性與 90%之穿透率，且在Fe/Zn=1.2%之摻雜時具有最佳導電性，傳輸機制為載子跳躍(hopping)模式。我們對於另一透明導電氧化物材料 (ZnO)mIn2O3 Ceramics之退火(annealing)處理、傳輸特性與熱電性質作有系統地研究，發現其在1300oC退火處理下有最佳之導電性，其傳輸機制為 “ variable-range hopping conduction”且為n型載子，為少數具熱電應用潛力之n型材料。最近，我們亦以以RF磁控濺鍍製程在PET可撓式基板上成長Al:ZnO (AZO)薄膜，發現其具有>80%之穿透率，且在厚度1100 nm時具有最佳導電性4.5 x10-4 Ω cm，為目前所知以同樣實驗獲得之最低電阻率。傳輸機制屬於量子修正(quantum corrections)模式。目前以Si/Al薄膜經退火(annealing)形成p-type Si薄膜結合AZO(n-type)或 n-type Si wafer構成之低成本太陽能電池元件，是為進行中之一研究項目。

 

 

 

・學習與發展:
　　本實驗室之研究除了基於對物理學術探討與應用性發展的動機外，在研究的過程中，需要電子儀器系統整合、樣品燒結、真空薄膜工程技術、曝光微影技術、離子蝕刻與低溫量測等奈米相關技術；在檢測方面也需要電子顯微鏡、掃描探計顯微鏡(SPM)、粒徑分析儀、精密膜厚儀、x-ray繞射儀等操作基礎、為科技業界所愛之基礎技術。

　　在學理分析上，亦可使人員對超導與磁性、光電物理有更深之認識。因此，經由本實驗室之研究執行，將使參與人員獲得相關的基礎訓練，為國家培育人才。

　　另外，透過科技部對本實驗室之研究經費支持，我們也提供同學每月助學金(大學部同學~2000-3000元，研究所碩士班~4000-7000元，研究所博士班~8000-20000元)協助研究計畫執行。目前畢業之同學普遍就業於科學園區或台積電、聯電、友達等知名企業；或是研發單位(如同步輻射中心)等，出路相當廣泛，我們歡迎有興趣同學之加入，並且會有學長帶領學習。