理學院電子報 No.56

文/ 物理系梁啟德教授
由於鋁合金其近乎100%的可回收性，使鋁合金在環保材料中的地位幾乎沒有其他金屬可比擬。作為地殼中含量最高的金屬元素，鋁可被視為一種永續材料。鋁的廣泛應用範圍涵蓋了散熱片、電子元件連接、電漿子學與超導元件等領域。因此製備高品質、大面積的鋁薄膜具有重大的應用價值。

金屬薄膜的超導臨界溫度（Tc）隨薄膜厚度變化的趨勢至今仍充滿謎團。來自美國明尼蘇達大學超導體物理領域巨擘Allen Goldman團隊的研究表明，鋁超導薄膜的Tc隨厚度減少而降低[1]，而早期的研究則顯示其臨界溫度隨厚度減少而升高。不過，這些早期研究缺乏對鋁材料深入的分析，且一些鋁樣品含有多晶和氧化鋁、鍺的混雜，使得對高品質鋁薄膜超導溫度隨厚度變化趨勢及其背後物理機制的理解變得困難。

圖一: 在不同基板上以分子束磊晶技術成長的鋁奈米薄膜的Tc與厚度d之間的相依性。改編自參考文獻[2]。

為了解決這些難題，我們與國立陽明交通大學電子工程系林聖迪教授團隊合作，由博士生葉勁辰、廖品棋和碩士生王翔麒進行研究。團隊專注於研究高品質、晶圓尺度（2吋或3吋半徑的晶圓）分子束磊晶成長的鋁奈米膜，並探索其Tc隨厚度變化的情形（如圖一所示）。我們發現，Tc隨著厚度的增加而降低。在3.5奈米厚的鋁薄膜上，我們觀察到Tc呈現出基板相依性：在砷化鎵基板上最高達到2.44 K，高阻值矽基板上為2.13 K，而藍寶石基板上最低為1.86 K[2]。這些鋁薄膜的最高Tc值甚至可達鋁塊材Tc（1.2 K）的兩倍，這對超導元件和量子電腦的發展具有重大意義。陽交大杜氏賢博士仔細的掃描穿隧電子顯微鏡分析發現鋁薄膜及其與基板的介面品質極高（見圖二）。國家同步輻射中心的徐嘉鴻主任發現在不同基板上成長的3.5奈米鋁薄膜其晶格常數變化小於0.2%（圖二）。中研院物理所林新博士與成大物理張泰榕團隊進行的第一原理計算結果顯示，Tc的提高是由於表面聲子的軟化和費米能附近電子能態密度的上升所引起。此外，與新加坡南洋理工大學(另一所NTU)Christos Panagopoulos教授及美國Argonne National Laboratory的Ivar Martin博士的合作也相當重要，以他們在超導體物理方面的專長和豐富經驗，使團隊對實驗結果及其未來展望有了更深刻的理解。

圖二：(a)-(c):3.5奈米鋁薄膜成長在砷化鎵、矽與藍寶石基板之同步輻射X光繞射結果 (d)-(f): 相對應之高解析度掃描穿隧電子顯微鏡實驗結果。(g)-(h): 部分區域放大圖。取自參考文獻[2] 。

我們製備的低阻值鋁奈米薄膜（其在低溫下的正常態電阻小於量子電阻h⁄((4e^2 ) )的5%）顯示出與眾不同的特性。這種低阻值特性使我們的樣品遠離了Goldman團隊觀察到的絕緣態與超導態之間的相變。換句話說，我們觀察到的Tc隨著薄膜厚度增加而降低的現象，並不與Goldman團隊的研究結果相矛盾。此外，我們的實驗結果還揭示了一個重要的發現：即鋁奈米薄膜的超導臨界溫度與其基板相依性，並不是由晶格形變、正常態電阻或晶體結構的變化所引起。

參考文獻
[1] Y. Liu, D. B. Haviland, B. Nease, and A. M. Goldman, Phys. Rev. B 47, 5931 (1993).
[2] Ching-Chen Yeh, Thi-Hien Do, Pin-Chi Liao, Chia-Hung Hsu, Yi-Hsin Tu, Hsin Lin, T.-R. Chang, Siang-Chi Wang, Yu-Yao Gao, Yu-Hsun Wu, Chu-Chun Wu, Ivar Martin, Sheng-Di Lin, Christos Panagopoulos, and Chi-Te Liang, Phys. Rev. Mater. 7, 114801(2023).