臺灣博碩士論文加值系統

本實驗利用電化學電鍍方式在單晶銅(100)電極上成長鎳薄膜，同時使用循環伏安法(Cyclic Voltammetry)、電化學磁光柯爾效應系統(EC-MOKE)、電化學掃描式電子穿隧顯微鏡(EC-STM)來研究單晶銅(100)上所成長鎳薄膜的表面特性與磁特性。
實驗使用銀當作電化學參考電極，此電極屬於pseudo-reference electrode，其電位利用能士特方程式計算與文獻參考比較結果，與標準氫電極電位差大約是+87~130 mV 之間。經過多次實驗測試，在本實驗系統中數據呈現高再現性。以循環伏安法檢測，單晶銅(100)電極在1 mM HCl電解液中電化學過程，發現電流成對峰值：銅溶解與銅沉積，往陰極方向加大範圍掃描，-800 mV(vs Ag)開始有氫氣產生反應(質子還原：H++e-→1/2H2)出現。加入鎳的電解液1 mM HCl+1 mM NiCl2則出現另外一個成對峰值分別在-1200 mV與-400 mV，實驗數據顯現此對峰之間相關性甚大，推測是鎳的吸附(Ni2++2e-→Ni)與退吸附(Ni→Ni2++2e-)反應。選擇在-1200 mV電位下電鍍鎳，控制電鍍時間以製造不同鎳膜厚度，透過積分CV圖的鎳退吸附峰算出電荷量和已知電鍍面積(0.292 cm2)可分析沉積鎳的膜厚。電解液裡的氯離子會修飾銅(100)電極表面，透過STM掃描圖像可以觀察到銅(100)表面直角台階的特徵。
電鍍鎳/銅(100)磁性行為主要分成四部分結論：(1)在1.52 ML以下沒有磁性原因是電鍍鎳量很少又加上氫氣產生的效應。 (2)在2.47~7.05 ML認為是磁異向能的轉換，易軸變成Polar方向，表示有垂直磁異向能出現，與UHV系統有相同的現象發生。 (3)在13.4 ML~29.0 ML之間的磁化易軸變成平行樣品表面，趨向塊材現象以形狀異向性為主要因素。隨著厚度增加殘磁逐漸變大，因此越厚的鎳層需要更大能量才能磁化。 (4)鎳退吸附後In-situ量測L-MOKE還有磁性的現象是在13.4 ML以上才有，推測是電鍍厚度越厚，水溶液離子數變少，使得水溶液導電度不夠無法將鎳退吸附掉。

The electrodeposition of Ni on a Cu(100) electrode in diluted hydrochloric acid was investigated by means of cyclic voltammetry (CV), electrochemical scanning tunnelling microscopy (EC-STM) and electrochemical magneto-optic Kerr effect (EC-MOKE). Silver was used as the electrochemical reference electrode which belongs to one kind of pseudo-reference electrodes. With Ag reference electrode, the potential converted to normal hydrogen electrode (NHE) is about +80~130 mV. In pure supporting electrolyte (1 mM HCl), the typical current peak pair in the CV measurements corresponds to copper dissolution and re-deposition. Hydrogen evolution reaction (HER) starts at E=-800 mV (vs Ag). STM images show well right-angle steps for the adsorption of chloride anions from hydrochloric acid solutions. After adding 1 mM NiCl2, new peak pair appears at -1200 mV and -400 mV which correspond to nickel deposition and dissolution. Systematic investigation for different nickel thickness has been performed by depositing at -1200 mV for different period. The thickness has been calculated by integrating the area under the anodic dissolution peak which gives the total amount of charge passed on a surface area of the deposit.
Magnetic properties of Ni/Cu(100) was observed at the potential smaller than -700 mV. As the Ni thickness increases, it can be distributed three regions. (1) Under 1.52 ML: No magnetic hysteresis appears. This is due to too little Ni deposit and hydrogen evolution reaction. (2) 2.47~7.05 ML: Magnetic easy axis is out-of-plane. Perpendicular magnetic anisotropy appears. This is comparable with UHV system. (3) 13.4~29.0 ML: Magnetic easy axis changes to be in-plane due to the shape anisotropy. After sweeping to the potential for nickel dissolution, in-situ L-MOKE measurement shows that the magnetization remains for films thicker than 13.4 ML. This may be due to the lowered conductivity of the electrolyte.

第一章 緒論…………………………………………………………1
第二章 基本原理……………………………………………………5
2-1 電化學原理……………………………………………………5
2-1-1 法拉第定律…………………………………………………5
2-1-2 電雙荷層概述………………………………………………5
2-1-3 電化學反應程序……………………………………………8
2-1-4 循環伏安法…………………………………………………8
2-1-5 陰離子特異性吸附…………………………………………10
2-2 電化學掃描式穿隧顯微鏡原理………………………………11
2-2-1 穿隧效應……………………………………………………11
2-2-2 掃描式穿隧顯微鏡原理……………………………………12
2-2-3 工作原理─定電流模式與定高模式………………………13
2-2-4 電化學掃描式穿隧顯微鏡簡介……………………………14
2-3 磁性理論與磁光柯爾效應原理………………………………15
2-3-1 磁性物質……………………………………………………15
2-3-2 磁性物質的種類……………………………………………15
2-3-3 鐵磁性物質的特性…………………………………………17
2-4 磁異向性理論…………………………………………………19
2-5 磁光柯爾效應…………………………………………………25
2-5-1 磁光柯爾效應理論…………………………………………25
2-5-2 磁光柯爾效應儀器裝置……………………………………30
2-6 系統物性介紹…………………………………………………31
2-6-1 銅與鎳的物理性質之比較…………………………………31
2-6-2 晶格匹配度…………………………………………………32
2-6-3 鍍鎳的電解液………………………………………………32
2-6-4 鎳離子E-pH圖………………………………………………32
2-6-5 參考電極與輔助電極………………………………………33
2-6-6 酸性溶液中的標準電極電位………………………………34
2-7 文獻回顧………………………………………………………35
2-7-1 電鍍超薄膜(Fe Co Ni)磁性討論…………………………35
2-7-2 電化學STM討論結構………………………………………37
2-7-3 電化學系統鎳/銀(111)和鎳/金(111)磁光科爾效應量測…38
2-7-4 UHV系統下鎳/銅(100)磁異向能變化………………………39
第三章 實驗介紹……………………………………………………41
3-1 實驗設備………………………………………………………41
3-1-1 藥品部分……………………………………………………41
3-1-2 氣體部分……………………………………………………41
3-1-3 金屬部分……………………………………………………41
3-2 儀器設備………………………………………………………42
3-2-1 電化學電鍍槽………………………………………………42
3-2-2 電化學循環伏安儀器………………………………………45
3-3 電化學掃描式穿隧顯微鏡(EC-STM)儀器介紹………………45
3-4 磁光柯爾效應(EC-MOKE)儀器介紹…………………………55
3-4-1 磁光柯爾效應器材與元件…………………………………55
3-4-2 磁光柯爾效應儀器架設……………………………………57
3-5 實驗步驟………………………………………………………60
3-5-1 實驗前準備…………………………………………………60
3-5-2 樣品拋光……………………………………………………60
3-5-3 電化學實驗步驟……………………………………………61
3-5-4 EC-STM實驗前處理及實驗步驟…………………………63
(1)探針製備………………………………………………………63
(2)將探針裝載到EC-STM掃描頭上………………………………65
3-5-5 EC-MOKE 實驗前處理及實驗步驟………………………67
(1)樣品裝入電化學磁光柯爾系統電解槽步驟…………………68
(2)磁光柯爾效應儀器的操作流程………………………………69
第四章 實驗結果與討論…………………………………………71
4-1 電化學討論……………………………………………………71
4-1-1 參考電極電位………………………………………………71
4-1-2銅(100)在鹽酸溶液與加入氯化鎳的循環伏安法量測……75
4-1-3 系統鎳薄膜厚度估計………………………………………79
4-2 實驗結果………………………………………………………82
4-2-1 磁場校正……………………………………………………82
4-2-2 大氣下磁光柯爾效應………………………………………83
(1)大氣下量測磁光柯爾效應……………………………………83
(2)磁滯曲線與δ的關係…………………………………………84
4-2-3 電化學磁光柯爾效應………………………………………86
(1)Longitudinal MOKE背景圖量測………………………………86
(2)銅(100)表面型態………………………………………………86
(3)電荷量與電鍍時間……………………………………………89
(4)鎳薄膜厚度與磁光柯爾效應實驗結果………………………90
4-2-4 實驗討論……………………………………………………99
4-2-5 實驗過程問題與改進……………………………………101
第五章 結論……………………………………………………109
參考資料…………………………………………………………111

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