學位論文
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Item 鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾效應及鐵磁共振研究鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾效應及鐵磁共振研究(2012) 陳均達; Jyun-Da Chen在二氧化矽(SiO2)的基板上，以磁控式共濺鍍(Co-Sputtering)成長20nm及30nm (Co40Fe40B20)1-xCux薄膜，其x分別是0、15、25、35及50。柯爾磁光效應(Magnetic Optical Kerr Effect, MOKE)對樣品做不同角度的量測可得知磁異向性；當參雜Cu比例增時CoFeBCu薄膜的表面磁異向性從二重對稱(2-fold symmetry) 過渡到各向同性。以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)量測樣品表貌，發現隨著參雜金屬Cu增加時，樣品從柱狀排列變均勻分布的顆粒排列，印証了磁異向性的變化。樣品的矯頑力(coercivity)也隨著金屬Cu成分增加而變小；從0.052(Oe)下降至約為0(Oe)。從鐵磁共振(Ferromagnetic Resonance, FMR)分析結果顯示樣品的磁異向性係數Ku(anisotropy constant)，隨著參雜金屬Cu成分增加從7.33 (J/m3)下滑至3.33(J/m3)，吉爾伯特阻尼係數α(Gilbert damping constant)則隨著Cu成分增加從0.05上升至0.18。Item 磁性薄膜之表面形貌與磁性行為(2012) 何宗穎本論文主要探討磁性膜薄的表面形貌與磁性行為之間的關係。實驗架構總共可分成三部分：(1)高定向熱解石墨基板系統(2)三氧化二鋁(藍寶石基板)系統(3)矽(111)基板系統。 高定向熱解石墨基板系統中，利用氬離子轟擊基板，造成基板表面形成缺陷，藉由掃描穿隧式電子顯微鏡觀察鈷原子在平坦的高定性熱解石墨基板上的表面形貌，鈷原子成核的尺寸較表面缺陷的高定性熱解石墨基板上來的大，換句話說，鈷原子成核分佈在表面缺陷的基板上的密度較高。由歐傑電子能譜儀的分析結果可以間接顯示出基板的表面缺陷會使鈷原子成核分佈的更均勻。在磁性方面，利用平行與垂直方向的磁光科爾效應來觀察兩種不同基板的磁性行為。在平坦的基板，鈷薄膜的易軸為平行磁化方向；特別的是，在表面缺陷的基板，鈷薄膜在水平與垂直方向皆可量測到柯爾訊號。經過測試發現易軸為斜向的磁化方向，在厚度達到60ML時仍可以測得。 三氧化二鋁(0001)系統中，利用斜角鍍磁性薄膜(鐵)的方式，造成單軸的磁異向能產生，藉由掃描穿隧式電子顯微鏡觀察在鍍膜角度為0°時，表層鈀原子成核形狀具有三重對稱性；在鍍膜角度為45°與65°時，鈀表面由數奈米大小的顆粒組成。在磁性方面，鍍膜角度為0°時，各個方向角(∅)所量測到的磁滯曲線都是呈現方形的形狀；在鍍膜角度為45°與65°時，產生單軸的磁異向性，易軸方向：沿著方位角∅=0°；難軸方向：沿著方位角∅=90°。 矽(111)基板系統中，我們再一次做了斜角鍍磁性薄膜的實驗，結果與在藍寶石基板中的結果相符。透過改變不同的合金介面層材料(鐵、鎳、鈀)，可以觀察到不同的磁性行為，鐵薄膜在鐵-矽合金介面上的矯頑磁力(Hc=130 Oe)大於在鈀-矽合金介面(Hc=50 Oe)與鐵/矽(111)(Hc=50 Oe)。Item 鐵與氧化鐵在鎢(111)與鎢(998)上的磁性研究以及鍍率對磁性的影響(2012) 李寶生; Bao-Sheng Li在之前的研究裡[1]，將鐵磁性材料如鐵(Iron ; Fe)或鈷(Cobalt ; Co)蒸鍍到單晶的鎢上，利用磁光柯爾效應(MOKE)，發現某些樣品在縱向(in-plane)以及極化方向(perpendicular)上皆可以量測到300~900高斯的矯頑磁場(Coercivity)，並且透過對樣品通以電流時，可以觀察到磁滯曲線(Hysteresis loop)產生很大的偏移(Bias)現象，最大可達150 高斯 / 1安培的偏移量[1]，這種特異的磁性，激發我們很大的興趣。不過由於某些尚未掌握到的關鍵變因，使實驗結果的再現性大有問題。而本研究的動機是找到該關鍵變因，以利後續進一步研究。因歐傑能譜顯示具有特異磁性的薄膜樣品含氧及碳等元素，我們懷疑是雜質導致特異磁性，而進一步猜測也許是氧化鐵在”作怪”。故利用氧化鐵(Fe2O3)當作鍍源來模擬被氧化污染的純鐵，以及與純鐵鍍源交互鍍膜進行實驗，先使用殘氣分析儀(Residual Gas Analyzer)檢查鍍源，並利用歐傑電子能譜儀(Auger Electron Spectroscopic)與低能量電子繞射儀(Low Energy Electron Diffraction)來觀察薄膜的成分以及其表面形貌，再使用程式控溫熱脫附質譜儀(Temperature Programmed Thermal Desorption Spectroscopy)來確定薄膜厚度。對照之前的研究，發現鍍率(Deposition rate)也影響著薄膜的磁性性質，所以本次研究也嘗試著將鍍率當作操作變因來進行實驗。Item Item AES系統架設及Co/W(111)之磁性量測(2010) 莊孟勳; Meng-Hsun Chuang在本篇論文裡面可以分成兩部分。第一部份是關於師大歐傑電子掃瞄儀的架設(Auger Electron Spectroscopy，AES)，主要是介紹自製能量分析儀控制器、電子槍控制器的介紹以及在校調能譜儀的一些經過。我們根據能量分析儀以及點子槍的電位需求，利用整流模組、高壓模組以及電阻、電容自製了AES系統周邊的一些電子元件，也藉由之後的量測顯示這些控制器運作非常良好。在量測的部分，我們藉由樣品做的下緣去切電子束的方式，估計電子束的聚焦直經約為1.8mm。我們找到了在真空中AES系統的最佳量測位置為(x,y,z)=(48mm , 25mm , 178.5mm)，而且還發現樣品訊號對於距離歐傑電子掃瞄儀洞口的垂直距離相當的敏感，可以在2mm之內減少75\%的訊號強度。\\ 第二部分是初期的工作，主要是利用磁光柯爾效應(Magnetic Optical Kerr Effect，MOKE)觀察Co/W(111)在不同薄膜厚度以及溫度的狀況下薄膜的磁性。我們嘗試的厚度有2、3、5、9 Physical Monolayer(1PML恰可剛好將晶格表面完全覆蓋，對W(111)而言相當於3個ps ML。ps ML全名為pseudo monolayer，1 ps ML的原子數量相當於形成晶體最表層平面所需的原子數量)、嘗試的溫度有尚未熱退火的100K，經過5分鐘300K熱退火之後的100K、200K、300K。我們發現Co在4 PML在100K熱退火前後以及200K、300K都可同時看到垂直以及水平的磁滯曲線。不過當厚度為3 PML以下時，在100K的時候還看的到垂直和水平磁滯曲線共存，不過當溫度大於200K的時候就只能看的到水平的磁滯曲線。Item CoO/Co超薄雙層結構在半導體基底上之磁性研究(2007) 張新政本研究是在超高真空環境下使用蒸鍍方式成長Co、氧壓下鍍Co方式成長CoO，成長CoO/Co超薄雙層結構於Ge(100)與Si(111)上。以歐傑電子能譜儀與反射式高能量電子繞射儀進行表面組成分析，並以表面磁光柯爾效應儀進行室溫與以1 kOe外場冷卻下之磁性性質分析。在Co/Ge(100)上，要出現交換偏向效應需要10 ML的CoO層，而隨著CoO層厚度由10 ML增加到40 ML，阻隔溫度會由169 K增加到231 K。隨著CoO層厚度增加，CoO/Co/Ge(100)會出現環狀繞射圖形，代表更規則化。水平膜面方向的最大交換偏向場出現在25 ML CoO/ 25 ML Co/Ge(100)系統中，HE = 460 Oe，這比在CoO/Co/Ge(111)上所觀測到的小，且出現最大交換偏向場的厚度也較厚。CoO/Co/Si(111)也是有傾斜出膜面的異向性，且介面也會有化合，由於CoO層為多晶，導致交換偏向場會較小。Co/Ge(100)與Co/Si(111)都是磁化易軸接近水平膜面的方向，因此垂直膜面方向的矯頑磁力會叫水平膜面方向的大，導致在量測交換偏向效應時，垂直膜面方向因矯頑磁力超過本系統量測場(2 kOe)而無法的到可信的垂直膜面方向之交換偏向場。Item PLD製作Py(100)/Cu(100)/H-Si(100)薄膜與其磁性行為研究(2014) 趙晉鴻; Cing-Hung CHAO利用脈衝雷射沉積(Pulsed laser deposition, PLD)法在室溫下製作厚度5nm至100nm之銅與鎳鐵 (Ni80% Fe20%, Py)薄膜於H-Si(100)基板上，Cu(100)為了降低晶格失配度從33.3 %降為5.7 %，故旋轉45度使Cu[100]平形H-Si[110]進行磊晶，樣品經X光繞射實驗確定單晶Cu(100)結構生成。FCC-Py(100)因與FCC-Cu(100)間的晶格失配度為1.7%，因此Py(100)可穩定地磊晶於Cu(100)上。藉由X光ϕ-scan的量測也證實基板與薄膜間的晶向關係為Si [110]//Cu[010]//Py[010]。而[Py/Cu]10的多層膜樣品在X光繞射實驗上發現具有超晶格結構。 在磁性量測上，由LMOKE發現樣品具有單軸磁異向性，並且易磁化軸與難磁化軸分別平行於Py[010]與Py[100]，單軸磁異向性可能是由於晶格失配度產生應變，破壞FCC-Py的四重對稱所造成。從這次的研究結果發現，樣品的矯頑場隨著Py厚度的增加從1.7Oe增加到3.0Oe。其他的磁性參數由FMR量測結果經計算得出，阻尼常數當Py厚度為10nm時，有最小值 1.25×〖10〗^(-2)，之後分別因為渦電流效應與晶格失配度導致阻尼常數隨著Py薄膜厚度的增加或減少皆為上升。Item 鈷鈀合金薄膜於藍寶石基板(0001)在氫化效應下對磁性之影響(2016) 陳昱全; Chen, Yu-Chuan本論文為探討在室溫下，氫氣吸附與脫離的效應對於不同厚度，10nm、20nm、30nm、60nm Co50Pd50/Al2O3(0001)合金薄膜的影響。 首先樣品皆在超高真空下鍍膜完成，接著使用能量分散X-射線光譜分析(EDX)量測樣品的成分比例，並用穿透式電子顯微鏡(TEM)校正樣品的厚度，然後使用柯爾磁光效應(MOKE)在真空以及曝氫的環境下量測樣品的磁性轉變，最後再使用原子力顯微鏡(AFM)與磁力顯微鏡(MFM)觀察樣品表面與磁區分佈。CoPd的合金在吸附氫氣後，對自身的磁性產生了很大的影響，包括磁滯曲線的矯頑場(Hc)、殘磁(Mr)、飽和磁化量(Ms)與光源反射率等，甚至有磁易軸轉向的情況(Spin Reorientation Transition)，原因就在於Pd能夠吸附比自身體積大很多的氫氣進而擠壓到Co的晶格結構或者因電荷轉移改變合金材料的電子結構。在10nm樣品上，曝氫後矯頑場甚至縮小了7倍之多。隨著厚度不同，每片樣品所表現出的磁性轉變也不同，另外在樣品曝氫時，樣品皆表現出去磁的反應，也就是內部磁區因氫氣吸附而被打亂。藉由重複量測柯爾磁光訊號，發現氫氣的吸附與脫附為可逆反應，反應速度快而且具有重複性。Item 鈷鈀合金在氫化效應下導致可逆性長程有序磁排列(2015) 黃瀚元; Huang, Han-Yuan不同比例及厚度下的鈷鈀合金長在藍寶石基板(Al_2 O_3 (0001))上，觀察樣品氫化效應對磁性的影響。 樣品皆在超高真空系統下(〖10〗^(-8) torr)利用熱蒸鍍原理將鈷及鈀兩金屬對鍍形成合金，鍍完成後用歐傑能譜儀(Auger Spectrum)測量其成分比例、用磁光柯爾效應(MOKE)測量氫氣吸附後的磁光特性改變、原子力顯微鏡(AFM)觀測表面結構對於氫氣吸附所改變的磁性行為，接著在低溫下用超導量子干涉震動磁量儀測量磁的特性。 鈀吸附氫氣後會變成氫化鈀，隨著曝的氫氣量愈來愈多，氫化鈀晶格常數從原本的 3.89 Å (α-phase)上升至 4.02 Å(β-phase)。樣品固定Pd的鍍量且Pd比例為33 %時，曝完氫氣後其磁光特性並沒有明顯變化，隨著鈀金屬比例升高至61 % 時，曝完氫氣後，樣品磁滯曲線的矯頑力、殘磁比及光訊號皆會改變。將鈀的比例提升至 76& 及 86 %時，矯頑力上升10倍；磁滯曲線的飽和磁化量及殘磁的比值(squareness = M_r/M_s )也在曝完40 mbar氫氣2-3秒內從10% 上升至100%。這是因為當鈀的比例變高而磁性金屬鈷的比例下降時，合金的磁矩排列從原本的長程無序狀態下，氫化後變成長程有序排列的稀磁性金屬特性。固定Pd比例(61 %)下改變樣品厚度，發現20奈米厚度的樣品，其吸附氫氣後的磁光效應改變比10奈米來的明顯。除此之外，當氫氣被機械幫浦抽出時，樣品會在2~3秒內從β-phase回到α-phase，且該反應是可以被重複的。 用原子力顯微鏡觀察 Co_14 Pd_86 樣品的表面形貌，其表面上有許多直徑約100奈米的團簇，團簇中間充滿著直徑約20奈米的顆粒，這些顆粒除了可以增加樣品接收氫氣的表面積外，還可以形成不同的截面以增加氫氣吸收的效率。