高溫超導體應用之熱學研究

Abstract

高溫超導體在很多方面具有應用潛力，而熱學分析是許多應用的基礎。本 論文針對應用所導致的三個問題，也就是薄膜超導體的本質穩定、帶狀合 成超導體的動力穩定、以及輻射熱偵測器的熱傳導，分別提出嚴謹的熱學 分析。此外，輻射性質對很多應用如輻射熱偵測器、輻射防護物、混成的 半導體和超導體電子元件等都很重要，本文亦量測了室溫下釔系和鉈系薄 膜的輻射性質。本論文以三維的熱傳導來分析薄膜超導體的本質穩定問題 。擾動源以點和線的型式來模擬，點熱源的位置和線熱源的長度都是任意 的。經由分析顯示，最大穩定電流隨著熱傳係數、薄膜寬度與厚度的比值 的增加而增加；相反地，擾動能量和熱傳導係數的方向異性愈大則超導體 愈不穩定，最大穩定電流也愈低。在強磁場的應用方面，本論文針對帶狀 合成超導材料提出動力穩定問題的熱學分析。由分析可知，忽略橫向熱傳 導會低估穩定參數值，並高估臨界電流密度；提高超導體的填充分量、熱 傳係數、寬度與厚度的比值，則可增加臨界電流密度。輻射熱偵測器是高 溫超導體發展初期最有可能的應用之一。本論文提出一個新的物理模式， 此模式不僅考慮穿透深度，同時也考慮薄膜和基材間的邊界熱阻。分析顯 示，傳統上常被使用的表面加熱模式只適用在穿透深度比薄膜厚度小很多 的情況下。此外，對脈波而言，短脈波的反應度較佳；對連續波而言，頻 率愈低反應度愈好；從熱學觀點而言，SrTiO~S1;3~I; (100)或 LaAlO~S1;3~I;是製造輻射熱偵測器較好的基材。本論文並提出一個新的 輔助設計的方法。根據相同的反應度曲線和反應時間曲線，可以很方便地 找出滿足設計要求的條件和最佳的條件。本論文量測了在室溫、中紅外、 不同厚度下釔系和鉈系薄膜的輻射性質，並利用薄膜光學和Drude─Lo- rentz 色散關係求出釔系薄膜的複數折射率。結果顯示，釔系薄膜的光學 性質可由自由電子、電子中紅外吸收、和聲振盪子來模擬求得。