學位論文
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Item 在雙層材料鉑/鎳鐵合金中的自旋轉矩-鐵磁共振(2021) 張祐誠; Chang, You-Cheng此實驗研究了鐵磁性材料 (ferromagnetic materials) 的自旋電子學，主要探討自旋軌道轉矩 (spin orbit torque, SOT) 的貢獻，在樣品的選擇上我們選用了鎳鐵合金 (permalloy, Py, Ni_80 Fe_20) 及鉑 (platinum, Pt) 的雙層薄膜材料。在此研究我們所探討的磁性薄膜材料，是指能對外加磁場做出反應，並且厚度為小於1 μm 的鐵磁性材料，透過輸出微波訊號給鐵磁性薄膜材料層，量測材料上的自旋轉矩-鐵磁共振 (spin torque-ferromagnetic resonance, ST-FMR)，並對此量測數據進行數據擬合分析。我們選用了共平面波導 (coplanar waveguide, CPW) 的樣品結構，來量測鐵磁共振 (ferromagnetic resonance, FMR) 的現象，透過 Py 材料內部的各異向性磁阻 (anisotropic magnetoresistance, AMR)，產生直流電壓訊號 (DC voltage signal)，量測此訊號造成的ST-FMR，透過數據分析計算材料的自旋流和自旋霍爾角 (spin Hall angle)，並且將樣品降溫至40 K進行測量。Item 磁性異質結構之自旋轉矩鐵磁共振與自旋流轉換效率研究(2021) 林啟升; Lin, Chi-Sheng本實驗透過電子束蒸鍍儀系統成長出15 nm/15 nm的Permalloy/Platinum雙層磁性材料透過銅箔及金製成的共平面波導(Coplanar waveguide，CPW)輸入微波訊號使樣品產生自旋轉矩鐵磁共振(Spin- torque Ferromagnetic resonance，ST-FMR)時在該結構的兩端量到一個電壓差(Vmix)並推算出其磁化飽和強度(Saturation magnetization，Ms)，其在自旋電子學之應用中扮演相當重要的角色，它的實用性和廣泛使用主要是因為它是一種共振現象，其中較有效率的方法則是利用本身具有強自旋軌道耦合(Spin-orbit-coupling，SOC)的材料(如重原子金屬)中所發現的自旋霍爾效應(Spin Hall effect，SHE)。其能產生方向和外加電流垂直的自旋電流。本實驗有助於了解所產生的信號Vmix，由勞倫茲式(Lorentzians)及反勞倫茲式(Anti-Lorentzian)的組合，並透過測量不同頻率與磁場變化的共振磁場相關性比較其他不同製程找出品質穩定且較優良的方法，並分析出我們的自旋轉換效率為0.2044與其他期刊比較有較高的轉換效率，以及對角度變化的依賴性及各項力矩貢獻。Item 坡莫合金次微米圓點陣列之鐵磁共振溫度相依研究(2020) 劉書豪; Liu, Shu-Hao常見的鐵磁共振實驗通常採用薄膜結構的鐵磁性材料，而週期性結構的鐵磁性材料在鐵磁共振實驗中有其它的吸收峰值，因此我們製作了四種樣品，其中包含一種薄膜結構、三種陣列結構，比較其實驗差異。 將每一個樣品降溫至1.5 K，並且在不同溫度下量測微波訊號與掃磁場的關係，推算出四個主要的參數：α Gilbert阻尼參數、∆H0不均勻線寬、Ms飽和磁化、Hk異向性磁場，即可歸納出每個參數與溫度的關係。 圓點的直徑與間距會影響磁化動力學，導致進動循環的時間有差異。藉由實驗結果可以評論，選擇不同規格的樣品需考量能量上的損耗或是微波訊號上的雜訊。Item 利用鐵磁共振及磁光柯爾效應研究鎳鐵與銅及鈷鐵硼與碳六十多層膜(2012) 蕭瑄毓鐵磁層間的耦合行為奠定了自旋電子學的發展，透過用描述自旋電子動力學的Landau-Lifshitz-Gilbert方程可得到許多關於耦合系統的訊息，例如鐵磁層之交換常數、磁晶異向性係數及有效磁化量等等，而透過鐵磁共振系統可以使我們更容易得到這些磁性參數，本實驗主要研究對稱結構與不對稱結構之鐵磁層(Py)/非鐵磁層(Cu)/鐵磁層(Py)三層膜樣品，討論在鐵磁共振效應下的耦合行為，除了鐵磁層的結構改變外，並同時改變非鐵磁層之厚度，樣品採用磁控濺鍍法製膜，使用柯爾磁光效應量測三層膜之磁滯曲線，觀察磁翻轉過程，並藉由鐵磁共振定頻掃場的量測方式，可以觀察到鐵磁層彼此之交互作用，除了透過Landau-Lifshitz-Gilbert equation，可再利用吸收峰之半高寬可以得到阻尼常數；了解這些係數，可以幫助我們更深入了解其原理更可以對發展自旋電子技術更多的靈感。Item 利用鐵磁共振來研究直流濺鍍NiFe/Cu/NiFe三層膜之磁特性(2010) 施名遠三層膜(鐵磁/非鐵磁/鐵磁)與多層膜的巨磁阻效應(GMR)主要來自於磁層之間的RKKY 偶合現象。本實驗先假設NiFe/Cu/NiFe 三層膜的自由能項，其中自由能包含︰晶格場、磁異向性能、交互作用能及靜磁能。利用角度鐵磁共振量測FMR 的角度變化關係、磁振儀(VSM) 量測樣品飽和磁化及四點探針量測磁電阻，最後擬合出NiFe/Cu/NiFe 中自由能的磁異向性係數、耦合係數和阻尼係數。 為達成研究目標，我們先建造VNA-角度鐵磁共振儀、一臺具有四支磁控濺鍍槍的超高真空濺鍍系統和加強一臺振動樣品磁力計(VSM)。VNA-角度鐵磁共振儀方面，我們使用向量網路分析儀(VNA)、高Q 值的共振腔來改進傳統鐵磁共振儀單一波段微波與低靈敏度鐵磁共振吸收的缺點。振動樣品磁力計方面，重新製作了VSM 的感應線圈(pick-up coil)，新感應線圈增加了1.5 倍的靈敏度，使VSM 能量測到更小更精準的磁化量，並且另外製作新的感應線圈座和加裝了Y 方向的感應線圈，使VSM 能同時量測樣品X 軸方向與Y 軸方向的磁化量。 我們製備了兩系列的樣品，分別為Py10nm /Cut /Py15nm /Si (t 為0.4nm~2nm)、Py10nm /Cut /Py10nm /Si (t 為0.4nm~2nm)。從角度鐵磁共振資料中的兩個吸收峰顯示了三層膜的RKKY 磁層耦合現象，MR 量測到的磁電阻變化率(%)隨著膜厚變化在0.02~0.17(%)之間振盪，VSM 量測到的矯頑場也在3 Oe~10 Oe 間振盪，擬合出的耦合係數也隨著膜厚變化在0.2~0.7 之間呈現振盪。Item 基於網路分析儀之鐵磁共振儀的建製及磁性多層膜高頻共振性質研究(2010) 賴韋辰; Wei-Chen LaiRuderman-Kittel-Kasuya-Yoshida (RKKY) 等磁層耦合現象在巨磁阻效應(GMR)之中扮演了重要的角色，而這個現象的發現奠定了近代自旋電子學的發展。當系統的自由能己知，用來描述自旋電子動力學的Landau-Lifshitz-Gilbert方程可得到許多關於此系統的訊息。例如：耦合系數﹑阻尼系數﹑鬆弛時間,晶格場以及磁異向係數等等。了解這些係數，不但可以幫助我們探究其原理更可以獲得操控自旋電子，發展自旋電子技術更多的靈感。 鐵磁共振技術在量測這些參數上，是強而有力的工具。 為了研究 Py/Ru/Py 磁性三層膜，我們使用了向量網路分析儀建製了一套鐵磁共振儀。由於向量網路分析儀的特性以及在 X-band下高Q值的共振腔，不需使用傳統鐵磁共振儀的調變相鎖放大技巧來獲得高敏感度。可以直接量測鐵磁共振吸收利用數值方法得到吸收的微分。若需要作別的微波波段的量測，也只需更換共振腔，不需改變硬體配置。 為了成長所需樣品，我們建造了一套具有四支磁控濺鍍槍的超高真空濺鍍系統。此系統具有穩定而低的鍍率，是故樣品的膜厚可達到原子的尺度。我們也翻新了一台振動樣品磁量儀用以量測樣品的飽和磁化，這個性質我們無法藉由鐵磁共振的結果來獲得。 我們備製了一系列的 Py20nm/Rut/Py20nm 樣品 t 的範圍從0.4nm 到 3nm。角度解析的鐵磁共振資料顯示了三層膜的RKKY磁層耦合現象，耦合常數隨著膜厚成振盪的變化。這樣的結果也可以由磁阻量測以及振動樣品磁量儀的結果獲得印證。Item 運用共平面波導探測鐵磁薄膜的鐵磁共振及自旋幫浦效應(2016) 馬凱俊; Ma, Kai-Chun本實驗主要探討鐵磁性物質的自旋幫浦效應（spin pumping effect, SPE），主要是鐵磁性物質，選用鎳鐵合金（permalloy, Py, Ni80Fe20）及鈷（cobalt, Co）和一般金屬，選用鉑（platinum, Pt）所組成的雙層薄膜結構。鐵磁共振（ferromagnetic resonance, FMR）現象在鐵磁/一般金屬雙層薄膜結構中，可使其鐵磁層產生一自旋流（spin current）注入一般金屬層，稱之為自旋幫浦效應。自旋流跨過鐵磁/一般金屬雙層薄膜之介面時，不同自旋方向的電子由於自旋軌道耦合作用（spin-orbit coupling, SOC），會引致逆自旋霍爾效應（inverse spin Hall effect, ISHE）並產生一橫向電荷流。 我們利用了共平面波導（coplanar waveguide, CPW）來探測鐵磁共振（ferromagnetic resonance, FMR）現象，以及利用設計於鐵磁/一般金屬雙層薄膜結構上的直流量測導線測量經由逆自旋霍爾效應引致的電荷訊號。