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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蔣慶有
研究生(外文):Ching-Yu Chiang
論文名稱:高電阻-溫度係數含錳氧化物薄膜之結構與傳輸特性之研究
論文名稱(外文):The Crystallines and Transport Properties of Manganite Thin Films with High Temperature Coefficient of Resistance
指導教授:王立民王立民引用關係陳昭翰
指導教授(外文):L.M. WangJau-Han Chen
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:多層膜射頻磁控濺鍍電阻的溫度係數金屬-絕緣體相變溫度載子崩潰模型雙極化子
外文關鍵詞:multilayersRF sputtertemperature coefficient of restistancemetal-insulator transiyion temperaturecurrent-carrier-density-collapsebipolaron
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本實驗使用射頻磁控濺鍍法(RF magnetron sputtering)成功地在SrTiO3(001)基座上成長出高品質鑭鍶錳氧La0.75Sr0.25MnO3/鑭鈣錳氧La0.75Ca0.25MnO3 (LSMO/LCMO)多層薄膜,再以光學微影術(Lithography)、以及離子蝕刻將樣品蝕刻成20 μm微橋寬度用於測量四點量測之圖形,接著在圖形的電極上,鍍上一層包覆住電極側面的金屬,探討其在多層結構下之電阻的溫度係數(Temperature coefficient of restistance, TCR)、及金屬-絕緣體相變溫度(metal-insulator transiyion temperature, TP)的影響。
  在鑭鍶錳氧/鑭鈣錳氧(LSMO/LCMO)多層薄膜結構上,發現其有著比混合態薄膜高之金屬-絕緣體相變溫度與電阻的溫度係數。於是進ㄧ步研究不同通氧退火溫度對最大TCR值(TCRMAX)及TP的影響。對於LSMO厚度為50 Å、LCMO厚度為100 Å交互堆疊八次之後的樣品(50 Å /100 Å)8,在800 ℃通氧退火後,其TP由271.6 K升到282.5 K,且TCRMAX由7.5 %K-1提昇到11.1 %K-1。最後,利用載流子密度崩陷(current-carrier-density-collapse)模型,推導出TCRMAX與雙極化子結合能(bipolaron binding energy, λ1)的關係,預期當λ1越低時,其TCRMAX值則會越高。
We successfully grown La0.75Sr0.25MnO3/La0.75Ca0.25MnO3 multilayers thin films on SrTiO3(001) substrates using RF magnetro sputtering. We used the photolithography and ion etching techniques to fabricate the thin film to a 20-μm wide mircobridge for standard four-terminal measurement with a gold film evaporated onto electrical leads. In this article, we study the temperature coefficient of restistance(TCR), and the metal-insulator transiyion temperature(Tp) in LSMO/LCMO multilayers.
In the LSMO/LCMO multilayers, we can find that the TCR and Tp ara larger than those in the mixed thin films. We also stude the effects of oxygen annealing on maximum value of TCR (TCRMAX) and Tp. For the LSMO/LCMO (50 Å /100 Å)8 multilayer with oxygen annealing at 800 ℃, the value of the Tp is increased from 271.6 K to 282.5 K, and TCRMAX is increased from 7.5 %K-1 to 11.1 %K-1. Here the numbers in parentheses correspond, respectively, to the thicknesses of LSMO and LCMO layers in unit of angstrom, and the subscript denotes the total repeated number of bilayers. Finally, the relationship between TCRMAX and bipolaron binding energy (λ1) is deduced by the current-carrier-density-collapse model. It is found that the TCRMAX increases as λ1 is decreased.
目錄

封面內頁
簽名頁
授權書.........................iii
中文摘要........................iv
英文摘要........................v
誌謝..........................vi
目錄..........................vii
圖目錄.........................x
表目錄.........................xiv

第一章 緒論
1.1紅外線偵測器與其原理.............1
1.2具高TCR之含錳氧化物材料研究發展現況....3
1.2.1超巨磁阻材料簡介............4
1.2.2改變摻雜比例之介紹...........6
1.2.3 CMR薄膜摻雜Ag及通氧退火之介紹....8
1.2.4 薄膜應力效應介紹...........12
1.3研就動機及目的...............13
第二章 理論基礎
2.1 磁性物質的發展...... ........15
2.1.1 磁性理論...............15
2.1.2 磁阻現象...............18
2.1.3超巨磁阻(CMR).............19
2.2 CMR材料之電阻傳輸機制...........21
2.2.1極化子之傳輸機制...........21
2.2.2載子崩潰模型.............21
2.3 La1-xA MnO3 (A=Ca, Sr) 之物理特性......24
2.4 應力效應..................25
2.4.1應力種類...............25
2.4.2超晶格................26
2.4.3超晶格樣品分析............27
2.5 TCR與雜訊對熱輻射偵測器靈敏度之影響....30
第三章 實驗方法與儀器設備
3.1 前言 ............ .......32
3.2樣品製作:靶材製作.............33
3.2.1固態燒結法..............33
3.2.2靶材製作流程敘述...........33
3.3樣品製作:薄膜製程.............37
3.3.1第一部份:薄膜成長..........37
3.3.2第二部份:薄膜圖形製作........40
3.4 實驗儀器..................43
3.4.1薄膜濺鍍系統.............43
3.4.2 Ar+離子蝕刻..............46
3.4.3薄膜厚度量測.............48
3.4.4高溫爐管...............49
3.4.5 X-ray繞射分析儀............51
3.4.6掃描式電子顯微鏡(SEM).........52
3.4.7成分分析儀(EDS)............53
3.4.8電阻率量測..............55
3.4.9電阻率-溫度之微分與TCR之計算.....58
第四章 結果與討論
4.1樣品結構與成分分析...... .......59
4.1.1 X-ray繞射分析.............59
4.1.2能量散佈X-ray光譜分析(EDS)......65
4.2電阻的溫度係數(TCR)分析...........66
4.2.1多層薄膜與混合薄膜之比較.......66
4.2.2薄膜成長溫度之比較..........69
4.2.3多層膜不同厚度比例比較........71
4.3通氧退火分析................74
4.3.1不同退火溫度比較...........74
4.3.2 800℃通氧退火下不同厚度比例比較....78
4.4 磁性分析............ .....83
4.5雙極化子結合能(λ1)對TCR值影響之討論....84
第五章 結論......................88
參考文獻.................. .....90

圖目錄

圖 1.1多種含錳氧化物TCRMAX對Tc作圖..........4
圖 1.2 (a)NSMOa、(b)NSMOb、(c)LCMO、(d)LSMO電阻率對溫度變化情形..................... 6
圖 1.3 La0.67(CaxSr1-x)MnO3電阻率對溫度的關係.......7
圖 1.4 La0.7(Pb1-xSrx)0.3MnO3不同掺雜比例其TCR值.....7
圖 1.5 Nd0.7Sr0.3MnO3(NSMO)、La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)、La0.7Ba0.3MnO3(LBMO)、La0.7Sr0.3MnO3(LSMO),TP與TCR之關係(△)代表未退火薄膜、(▽)代表退火後薄膜.....8
圖 1.6 La0.67Ca0.33MnO3薄膜通氧退火與未通氧退火比較 ...9
圖 1.7 La0.67Ca0.33MnO3薄膜在不同退火溫度下TCR值 ...10
圖 1.8銀的添加對La0.7Ca0.3MnO3薄膜TCR的影響,(○)為未添加銀薄膜、(●)添加銀之薄膜 .............11
圖 1.9 La0.67Ca0.33MnO3薄膜添加銀後,通氧退火與未退火比較.11
圖 1.10 Nd2/3Sr1/3MnO3薄膜在不同厚度下之c軸長度.....12
圖 1.11 Nd2/3Sr1/3MnO3薄膜在不同厚度下之電阻對溫度曲線..13
圖 2.1順磁性磁矩結構示意圖...............16
圖 2.2逆磁性磁矩結構示意圖...............16
圖 2.3鐵磁性磁矩結構示意圖...............17
圖 2.4反鐵磁性磁矩結構示意圖..............17
圖 2.5亞鐵磁性磁矩結構示意圖..............17
圖 2.6 La1-xAxMnO3(A=Sr、Ba、Ca)結構圖.......20
圖 2.7 La1-xCaxMnO相圖................25
圖 2.8 La1-xSrxMnO相圖................25
圖 2.9多層薄膜結構示意圖................27
圖 2.10多層膜繞射峰示意圖...............29
圖 2.11多層膜繞射峰示意圖...............30
圖 3.1靶材製作流程圖..................34
圖 3.2第一次燒結時間示意圖...............36
圖 3.3第二次燒結時間示意圖...............36
圖 3.4成形時燒結時間示意圖...............36
圖 3.5濺鍍與蒸鍍系統..................37
圖 3.6利用RF磁控濺鍍系統成長(LSMO/LCMO)8薄膜....40
圖 3.7旋塗光阻AZ5214E.................40
圖 3.8 (a)利用光學微影曝光(b)顯影四點量測微橋圖形....41
圖 3.9利用Ar離子轟擊薄膜圖.............. 41
圖 3.10將金屬電極包覆四點量測圖形接腳.........42
圖 3.11 (LSMO/LCMO)8四點量測圖形樣品.........42
圖 3.12物理沈積法的分類整理..............44
圖 3.13濺射鍍膜槍示意圖................44
圖 3.14磁控濺鍍系統示意圖...............45
圖 3.15磁控濺鍍系統實體圖...............45
圖 3.16非等向性蝕刻示意圖.............. 47
圖 3.17高真空Ar離子蝕刻系統............ 47
圖 3.18 α-step 膜厚量測儀............... 48
圖 3.19 α-step 量測樣品製作示意圖........... 49
圖 3.20 (a) 高溫爐管................. 50
圖 3.20 (b) 高溫爐管示意圖.............. 50
圖 3.21 (a)為本實驗所用之XRD系統。圖(b)為內部裝置圖. 51
圖 3.22布拉格晶格繞射示意圖............. 52
圖 3.23 (a)掃描式電子顯微鏡(SEM)。(b)成分分析儀(EDS). 53
圖 3.24 X射線能量散佈分析儀的結構示意圖...... 55
圖 3.25 (a)低溫量測系統................ 56
圖 3.25 (b)低溫量測系統示意圖............. 57
圖 4.1鑭鈣鍶錳氧成長於鈦酸鍶(001)基座之d220示意圖... 60
圖 4.2 LCMO、LCSMO塊材與薄膜X-ray繞射圖....... 61
圖 4.3多層膜樣品在不同成長溫度下之X-ray繞射圖..... 62
圖 4.4多層膜樣品在不同厚度比例下之X-ray繞射圖..... 63
圖 4.5塊材樣品、單層膜與多層膜樣品之(LSMO/LCMO)d220值比較........................ 64
圖 4.6 La0.75Ca0.25MnO3靶材之能量散佈X-ray光譜元素分析圖.66
圖 4.7多層膜、退火至混合膜以及混合膜之R-T曲線圖.... 67
圖 4.8多層膜、退火至混合膜以及混合膜之Tp對TCRMAX作圖. 68
圖 4.9在不同工作溫度下成長LSMO/LCMO多層膜R-T曲線圖 69
圖 4.10在不同工作溫度下成長LSMO/LCMO多層膜之Tp對TCRMAX作圖................... 70
圖 4.11在不同工作溫度下成長LSMO/LCMO多層膜能量散佈X-ray光譜分析.................. 71
圖 4.12 LSMO/LCMO多層膜在不同厚度比例下之R-T曲線圖. 72
圖 4.13 LSMO/LCMO多層膜在不同厚度比例下Tp對TCRMAX作圖........................ 73
圖 4.14 LSMO/LCMO多層膜在不同退火溫度下之R-T曲線圖.74
圖 4.15 LSMO/LCMO多層膜在不同退火溫度下Tp對TCRMAX作圖....................... 76
圖 4.16在不同退火溫度下之多層膜能量散佈X-ray光譜分析.. 77
圖 4.17多層膜在不同退火溫度下之含氧量與Tp、TCRMAX之關係....................... 77
圖 4.18 LSMO/LCMO多層膜在800 ℃退火溫度下之R-T曲線圖 78
圖 4.19 LSMO/LCMO多層膜在不同厚度比例下,退火與未退火的Tp對TCRMAX作圖................. 79
圖 4.20 LSMO/LCMO多層膜最佳的條件下電阻率與TCRMAX對溫度作圖...................... 81
圖 4.21各樣品與PAPER趨勢曲線TCRMAX與TP比較圖.... 82
圖 4.22多層膜樣品MR-T曲線............... 83
圖 4.23多層膜樣品其TCR×T對1/2T作圖.......... 84
圖 4.24 (a)La0.75CaxSr0.25-xMnO3塊材在不同比例之λ1與TCRMAX、Tp的關係(b) La0.75Sr0.25MnO3/La0.75Ca0.25MnO3 Multilayers系列其λ1與TCRMAX、Tp的關係........... 86

表目錄

表 1.1紅外線偵測器類型.................2
表 2.1五種MR的比較..................19
表 3.1靶材粉末.....................33
表 3.2 (LSMO/LCMO)薄膜成長條件............39
表 4.1各樣品的應力(ε)比較表...............65
表 4.2 LSMO/LCMO多層膜在不同厚度比例下,退火與未退火的Tp與TCRMAX提升量比較..............80
表 4.3所有樣品的金屬-絕緣體相變溫度(Tp)、最大電阻的溫度係數(TCRMAX)、雙極化子結合能(λ1) ..........87
參考文獻

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