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研究生:蔡郁菁
論文名稱:奈米鎳鐵點陣列之磁化翻轉行為研究
論文名稱(外文):Study of the magnetization reversal on the nano-permalloy dots array
指導教授:吳仲卿
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:物理學系
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:鎳鐵點陣列磁化翻轉
相關次數:
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本篇論文主要是藉由磁力顯微儀、交替梯度磁力儀、磁電阻的量測,配合微磁學數值模擬探討大面積的鎳鐵點陣列之磁化翻轉過程與機制。我們使用電子束微影術透過舉離技術製作一系列不同直徑與間距的鎳鐵點陣列,直徑分別為250nm、500nm以及750nm三種尺寸,而間距與直徑比(aspect ratio)由0.2到1.8,點陣列最高密度可達3Gb/in2。本研究中,由磁力顯微鏡影像或是交替梯度磁力儀得到的結果顯示,所有大面積的鎳鐵點陣列磁化翻轉過程皆呈現渦漩態(vortex state),而圓盤的直徑與間距影響整個磁化翻轉過程甚鉅,磁點中的渦漩產生及消滅場隨著直徑的增加而減少,但隨著間距的增加而增加;且當圓盤直徑愈小,間距與直徑的比值愈大的情況之下,翻轉過程中外加場從飽和場降至零場前,磁滯迴線會出現一個轉折,對應到磁力顯微影像可以發現渦漩在這段期間位置對磁場的遷移率也比較小,我們相信圓盤間的交互作用對此有很大的影響。上述這些現象在我們微磁學數值模擬分析上也有相同的發現。
The magnetization configurations on the large area of nanometer-sized permalloy(Ni80Fe20) dots array and their reversal processes have been studied through magnetic force microscopy, alternate gradient magnetometer, magnetoresistance measurements, and micro-magnetism simulations, respectively. A standard electron beam lithography in combination with a lift-off process was used for patterning 30nm thick of millions of permalloy dots array with diameters of 250, 500, 750nm and the aspect ratio S/D of spacing to diameter ranging from 0.2 to 1.8, in which the highest density is up to 3Gb/in2 . The hysteresis loops through a nucleation and annihilation of vortex were observed all over the studied dots array by using an alternate gradient magnetometer. The results were further confirmed utilizing magnetic force microscopy in the presence of external magnetic field. The vortex nucleation and annihilation fields increase with decreasing diameter and increasing spacing. For smaller S/D dots array the vortex has a sharp displacement, whereas the larger S/D dots array reveals an extra slow vortex displacement before returning back to remanence from saturation. These facts are believed to be associated with the interdot interaction in the dots array. The unusual behavior was confirmed in the corresponding micro-magnetism simulations.
中文摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第一章 緒論
1.1 前言 1
1.2 研究動機 3
1.2.1 磁性資訊存取記體 3
1.3 理論 7
1.3.1 微磁學理論 7
1.3.2 磁阻概述(異向性磁阻) 18
第二章 文獻探討
2.1 形狀與磁性記憶元件 22
2.2 磁性點陣列相關研究 26
2.3 電阻量測相關研究 32
第三章 實驗
3.1 電子束微影術 37
3.2 蒸鍍 46
3.3 掃描式探針顯微鏡 48
3.3.1 原子力顯微鏡 51
3.3.2 磁力顯微鏡 55
3.4 交替梯度磁力儀 62
3.5 磁阻量測 64
3.6 數值模擬 67
第四章 結果與討論
4.1 磁力顯微鏡影像分析 70
4.2 磁電阻行為分析 86
4.3 數值模擬分析 91
第五章 結論 96
參考資料 97
圖目錄
圖1.2.1 (a)銅與(b)鈷之上層電子能態示意圖 4
圖1.3.1 兩鄰近電子自旋關係示意圖 12
圖1.3.2 矩形磁膜之磁區形成示意圖,黑色箭頭所指方向為對應磁區之磁化
方向 16
圖1.3.3 簡單磁壁之示意圖,圖中黑色箭頭所指方向為磁化方向 16
圖1.3.4 磁壁能量與膜厚之關係曲線圖 17
圖1.3.5 橫結磁區結構之磁矩分布示意圖 17
圖1.3.6 異向性磁阻雙通路模型之等效電路(下標ss表示s電子與s電子的碰撞,下標sd表示s電子與d電子的碰撞) 19
圖1.3.7 (a)施加一磁場Hy,磁化方向(m)在X-Y平面上偏離一個θ角度。
(b)電場與電流在平行與垂直磁化方向之分量 21
圖2.1.1 鎳鐵矩形陣列殘磁態時之磁力影像。尺寸如圖中所示,鎳鐵膜厚
43nm 23
圖2.1.2 鎳鐵正方形之動態翻轉行為,磁膜尺度為3 m 3m,厚度為26nm 24
圖2.1.3 厚度23nm之橢圓陣列的殘磁態磁力顯微鏡影像 24
圖2.1.4 在圓盤與圓環中渦旋態的示意圖,箭頭代表磁矩排列方式,顏色表示磁矩之方向 25
圖2.2.1 不同尺寸、膜厚一系列點陣列之磁滯曲線。右圖(a)為俱有渦旋態磁區結構的點陣列之典型磁滯曲線,其直徑為300nm,膜厚為10nm;
右圖(b)為俱有單一磁區結構的點陣列之典型磁滯曲線,其直徑為
100nm,膜厚為10nm 26
圖2.2.2 實驗所得的相圖。 :表渦旋態; :表單一磁區。圖裡的實線為理論計算出渦旋態與單一磁區的邊界,由圖上可以發現比實驗的邊界
來的低 27
圖2.2.3 各種不同尺寸、厚度的Co點陣列之磁滯曲線 28
圖2.2.4 Co點陣列在殘磁態時的MFM影像,其直徑為500nm,厚度20nm。
由圖中可以看出在此Co點陣列的殘磁態有渦旋態磁區結構與單一
磁區結構的混合態 28
圖2.2.5 直徑600nm,厚度80nm,間距分別為600nm與30nm鎳鐵點陣列的磁滯曲線。裡面的小圖為陣列的SEM影像 29
圖2.2.6 實驗所得的成核(nucleation)與消滅(annihilation)場。由圖可以看出成核場與消滅場和鎳鐵點陣列的間距有關 29
圖2.2.7 (a)直徑/間距=550/600 nm 的Co點陣列在不同外場作用下的磁力顯微影像,(i)為開始產生渦漩態的場,(ii)-(iv)為外場遞減至
     零場的一系列磁翻轉過程,從圖中可看出渦漩態是呈與外場方向平
     行的鍊狀形式產生的,直到零場;再往正的大場遞增時,圖(v)渦漩態是呈與外場方向平行的鍊狀形式消失。(b)直徑/間距=     550/1000 nm 的Co點陣列,其渦漩態的排列形式因間距增大,偶極
交互作用變小而呈隨機 31
圖2.3.1 橢圓鎳薄膜之電子顯微鏡影像以及示意圖。(a)橢圓量測元件之電子顯微鏡影像,(b)電子顯微鏡影像之放大圖,(c)四端點量測示意
圖 32
圖2.3.2 單磁區橢圓鎳鐵薄膜之縱向(R//)及橫向(R⊥)磁電阻曲線 32
圖2.3.3 直徑1μm、厚度25nm之鎳鐵圓盤元件之SEM影像及四端點量測示意圖 33
圖2.3.4 直徑1μm圓盤量測之結果,右下角插圖為量測接腳及外加磁場方向之示意圖 34
圖2.3.5 不同旋向之鎳鐵圓盤之數值模擬結果 34
圖2.3.6 由左到右分別為1,0.6,和0.3μm的串並聯電路圖,元件與元件下的電極(金)並聯後再與沒有元件地方的電極串聯 35
圖2.3.7 (a)電流與磁場方向垂直時得到負磁阻,(b)電流與磁場方向平行時得到正磁阻 35
圖3.0.1 微米級導線及打線區。中間導線寬度為5微米,打線區為邊長300微米的正方形 36
圖3.1.1 電子束微影術基本硬體組成 39
圖3.1.2 掃描式電子顯微鏡及電腦介面控制軟體控制圖 40
圖3.1.3 放大倍率10萬倍之金靶SEM影像 41
圖3.1.4 (a) 塗佈示意圖 42
圖3.1.4 (b) 曝光示意圖 43
圖3.1.4 (c) 顯影示意圖 44
圖3.1.4 (d) 蒸鍍示意圖 44
圖3.1.4 (e) 舉離示意圖 44
圖3.1.5 (a) 電子阻劑PMMA剖面圖(厚度約300nm) 45
圖3.1.5 (b) 雙層電子阻劑剖面圖(PMMA-MMA約80nm/PMMA約370nm).45
圖3.2.1 實驗室AUTO306鍍膜系統之實際設備圖 47
圖3.3.1 掃描式探針顯微鏡系統簡圖 49
圖3.3.2 (a)本實驗室掃描式探針顯微鏡裝置圖(b)外加磁場下磁力顯微鏡即時影像量測示意圖 50
圖3.3.3 AFM針尖與樣品間之作用力與距離關係圖 52
圖3.3.4 原子力顯微鏡之操作模式流程 52
圖3.3.5 磁力顯微鏡感測原理示意圖 55
圖3.3.6 兩段式掃描示意圖 56
圖3.3.7 磁力顯微鏡探針之SEM影像 61
圖3.4.1 AGM量測示意圖 62
圖3.4.2 本實驗所用的MicroMagTM2900交替梯度磁力儀 63
圖3.5.1 微米級鎳鐵線與外加場垂直/平行的磁阻曲線圖 64
圖3.5.2 磁阻量測系統儀器迴路配置示意圖 66
圖4.0.1 各種不同直徑、間距的點陣列SEM影像。(a)直徑750nm,間距750nm;(b)直徑500nm,間距500nm;(c)直徑750nm,間距375nm;(d) 直徑750nm,間距150nm。每個3mm×3mm樣品上均有千萬個鎳鐵圓
盤 69
圖4.1.1 外加場的方向 70
圖4.1.2 直徑750nm間距375nm鎳鐵點陣列的磁力顯微鏡影像系列 71
圖4.1.3 直徑750nm間距375nm鎳鐵點陣列旋轉45°後的磁力顯微鏡影像
系列 72
圖4.1.4 直徑750nm間距375nm鎳鐵點陣列旋轉30°後的磁力顯微鏡影像
系列 74
圖4.1.5 直徑750nm間距375nm鎳鐵點陣列旋轉不同角度後的磁滯迴線 74
圖4.1.6 直徑750nm間距260nm鎳鐵點陣列的磁力顯微鏡影像系列 75
圖4.1.7 直徑750nm間距260nm鎳鐵點陣列的磁滯迴線 76
圖4.1.8 直徑750nm間距750nm鎳鐵點陣列的磁力顯微鏡影像系列 77
圖4.1.9 直徑750nm間距750nm鎳鐵點陣列的磁滯迴線 77
圖4.1.10 直徑750nm間距150nm鎳鐵點陣列的磁力顯微鏡影像系列 79
圖4.1.11 直徑750nm間距150nm鎳鐵點陣列的磁滯迴線 79
圖4.1.12 直徑500nm間距500nm鎳鐵點陣列的磁力顯微鏡影像系列 80
圖4.1.13 直徑500nm間距500nm鎳鐵點陣列的磁滯迴線 81
圖4.1.14 直徑500nm間距250nm鎳鐵點陣列的磁力顯微鏡影像系列 82
圖4.1.15 直徑500nm間距250nm鎳鐵點陣列的磁滯迴線 82
圖4.1.16 直徑750nm間距150nm的磁滯迴線(紅色曲線)取磁場範圍+300Oe至-550Oe,與vortex core位置對磁場的關係圖(黑色曲線) 83
圖4.1.17 直徑750nm間距260nm的磁滯迴線(紅色曲線)取磁場範圍+300Oe至-500Oe,與vortex core位置對磁場的關係圖(黑色曲線) 84
圖4.1.18 直徑750nm間距375nm的磁滯迴線(紅色曲線)取磁場範圍+300Oe至 -550Oe,與vortex core位置對磁場的關係圖(黑色曲線) 85
圖4.1.19 直徑750nm間距750nm的磁滯迴線(紅色曲線)取磁場範圍+300Oe至-400Oe,與vortex core位置對磁場的關係圖(黑色曲線) 86
圖4.2.1 直徑2μm的鎳鐵圓盤跨電極後之SEM圖,其外加場與電流平行 87
圖4.2.2 直徑2μm的鎳鐵圓盤縱向(外加場與電流平行)之磁阻曲線 87
圖4.2.3 直徑2μm的鎳鐵圓盤跨電極後之SEM圖,其外加場與電流垂直 87
圖4.2.4 直徑2μm的鎳鐵圓盤橫向(外加場與電流垂直)之磁阻曲線 88
圖4.2.5 直徑750nm的鎳鐵圓盤跨電極後之SEM圖,其外加場與電流平行(縱向) 89
圖4.2.6 直徑750nm的鎳鐵圓盤跨第一種形式的電極,縱向之磁阻曲線 89
圖4.2.7 直徑750nm的鎳鐵圓盤跨電極後之SEM圖,其外加場與電流垂直(橫向) 89
圖4.2.8 直徑750nm的鎳鐵圓盤跨第一種形式的電極,橫向之磁阻曲線 90
圖4.3.1 直徑750nm不同間距點陣列模擬之磁滯迴線圖 91
圖4.3.2 直徑500nm不同間距點陣列模擬之磁滯迴線圖 92
圖4.3.3 直徑250nm不同間距點陣列模擬之磁滯迴線圖 92
圖4.3.4 直徑250nm間距450nm的點陣列,其交換能(黑色迴線)和靜磁能(紅色迴線)與磁場的關係圖 94
圖4.3.5 直徑250nm間距450nm的點陣列,其模擬得到的交換能(黑色曲線)和靜磁能(紅色曲線)與磁場的關係圖與磁滯迴線(藍色曲線)作比較,
三者都只有取正的大場到負的大場來比較 94
表目錄
表1.2.1 各種隨機記憶體特性比較 6
表1.3.1、磁性物質之特性表 7
表4.0.1鎳鐵薄膜厚度30nm,直徑500nm和750nm所對應的間距 69
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