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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳詩佳
研究生(外文):Chen, Shihjia
論文名稱:在鈮薄膜電極上電鍍鈷與鈷鉑合金的結構與磁性研究
論文名稱(外文):Structural and Magnetic Properties of Electrodeposited Cobalt and Cobalt-Platinum Alloy on Niobium Electrode
指導教授:何慧瑩
指導教授(外文):Ho, Hueiying
口試委員:劉鏞鄭宏文
口試委員(外文):Liou, YungCheng, Hongwen
口試日期:2012-06-20
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北教育大學
系所名稱:自然科學教育學系碩士班
學門:教育學門
學類:普通科目教育學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:67
中文關鍵詞:合金成分電鍍矯頑力磁滯曲線
外文關鍵詞:cobaltplatinumalloy compositionelectrodepositioncoercivitymagnetic hysteresis
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本研究在Si(100)基板上濺鍍鈮薄膜當作電極,接著利用電化學沉積方式電鍍鈷與鈷鉑合金。我們使用不同的電流型式觀察鈷的結構與磁性,並且比較在電鍍液中加入不同硼酸濃度對於鈷薄膜之磁滯曲線與結構的影響。我們分析鈷鉑的成分比例,並且觀察成分比例與磁滯曲線之間的關係。我們利用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)研究薄膜的表面形貌;使用磁光科爾效應儀(Magneto-Optical Kerr Effect, MOKE)測量薄膜的磁滯曲線,藉以了解薄膜的磁易軸;使用能量分散式X-ray螢光元素分析儀(Energy Dispersive X-ray Fluorescence, EDXRF)量測鈷鉑合金的成分。

我們發現使用低電流電鍍Co粒子比較容易形成六角最密堆積(hexagonal close-packed, hcp)的結構,其方向在<1011>上,當電鍍電流愈高,Co粒子會形成垂直磁異向性(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)更強的hcp結構,其方向在<0002>上。為了減少電解水(hydrogen evolution reaction, HER)的影響,我們利用兩段式電流電鍍Co粒子。第一段的高電流脈衝能有效控制Co粒子的沉積密度,也能增加PMA,表示在電鍍初期HER會影響Co粒子的結構,而兩段式電流的電鍍方式能控制Co粒子的結構與磁性。另外,我們發現增加電鍍液中硼酸的濃度,有助於提高Co的成核密度;然而當硼酸濃度過高時,不利Co核在c軸(polar方向)的成長,也因此提高硼酸濃度對Co在polar方向的磁性幫助不大。

在鈷鉑合金的部分,當電鍍電流較小時,鈷的成分比例隨著電鍍電流增加而增加,鈷鉑合金在longitudinal方向的矯頑場也愈大;然而電鍍電流達到一個臨界值之後,鈷的成分比例隨電流增加有減少的趨勢,這是因為電鍍電流太大的時候HER的反應會增強,容易產生氫氧化鈷,而氫氧化鈷不導電,鈷會經由分解氫氧化鈷的化學反應來還原,造成陰極表面鈷的成分比例下降,鈷鉑合金在longitudinal方向的矯頑場也隨之減少。

另外,與電鍍鈷鉑合金在ITO基板上做比較,我們發現電鍍液中加入不同硼酸濃度,且在不同基板上電鍍鈷鉑合金,都會在某一個電流密度下,得到一個最大的矯頑場,並且我們發現硼酸濃度較低時,鈷鉑合金的矯頑場之變化較為顯著。
In this study, we sputtered niobium film on Si (100) substrate as the electrodes, then we followed by electrochemical deposition plating cobalt and cobalt-platinum alloy. We observed thin films’ structure and magnetic properties by different current type. We added different concentration of boric acid in the electrolyte, and compared the hysteresis curve and the structure of the cobalt.We used Atomic Force Microscope to study the morphology of the thin films. We used the Magneto-Optical Kerr Effect to study hysteresis curve of thin films and understand the magnetic easy axis of the films. We used Energy Dispersive X-ray Fluorescence to measure composition of cobalt-platinum alloy.

We found that the use of low-current plating Co particles formed hcp(1011) structure.The higher plating current, the stronger perpendicular magnetic anisotropy hcp(0002) structure of Co particles will form. In order to reduce the impact of the hydrogen evolution reaction, we use a double pulse current plating Co particles. First high current pulse can control the population density of Co particles, and can increase the PMA. This implies that the HER effect plays an important role in the initial nucleation structure of the Co particles. This provides us a method to control the structure and magnetism of the Co particles by choosing a suitable combination of current pulses. In addition, we found that the concentration of boric acid in the increase in the electrolyte, help to improve the nucleation density of the Co. However, high concentration of boric acid adverse Co nuclei in the c-axis (polar direction) growth. We concluded that improve the boric acid concentration did not help Cobalt coercivity in polar direction.

We found that the use of low-current plating cobalt-platinum alloy, the composition ratio of cobalt increased with increasing current, and the coercivity in the longitudinal direction increased, too. When the plating current reached a critical value, the composition ratio of cobalt decreased with increasing current. Because HER enhanced with increasing current, Co(OH)2 would produce. Co nucleated through the chemical reaction of Co(OH)2, so the composition ratio of cobal decreased, and t coercivity of cobalt-platinum alloy in the longitudinal direction is also reduced.

Compared with cobalt-platinum alloy plating on ITO substrate , we found that different concentration of boric acid in the electrolyte, cobalt-platinum alloy plating on various substrates would have one of the largest coercivity under a current density. When the boric acid concentration was low, the changes in the coercivity of cobalt-platinum alloy was more significant.
目 錄

中文摘要 ----------------------------------------------------------------------------------- i
英文摘要 ---------------------------------------------------------------------------------- iii
目 錄 ---------------------------------------------------------------------------------- v
表 次 --------------------------------------------------------------------------------- vii
圖 次 --------------------------------------------------------------------------------- viii
第一章 緒論 ---------------------------------------------------------------------------- 1
第一節 研究問題與背景 -------------------------------------------------------- 1
第二節 文獻探討 ----------------------------------------------------------------- 1
第三節 研究動機與目的 -------------------------------------------------------- 9
第二章 基本原理 --------------------------------------------------------------------- 10
第一節 薄膜成長 ----------------------------------------------------------------10
第二節 鐵磁性物質 -------------------------------------------------------------12
第三節 磁異向性 ----------------------------------------------------------------14
第四節 電鍍 ----------------------------------------------------------------------16
第五節 薄膜的性質與量測-----------------------------------------------------21
第三章 實驗方法 --------------------------------------------------------------------- 25
第一節 基板清洗 ----------------------------------------------------------------26
第二節 鈮薄膜電極的濺鍍-----------------------------------------------------26
第三節 循環伏安法 -------------------------------------------------------------27
第四節 電鍍 ----------------------------------------------------------------------28
第五節 薄膜性質量測 ----------------------------------------------------------29
第四章 實驗結果與討論 ------------------------------------------------------------- 33
第一節 Co(0.1M)+硼酸0.025M電鍍液系統 --------------------------------33
第二節 Co(0.1 M)+硼酸0.5 M電鍍液系統 ---------------------------------40
第三節 Pt + Co(0.1M)+硼酸0.5M電鍍液系統 -----------------------------51
第五章 結論 -------------------------------------------------------------------------- 61
參考文獻 --------------------------------------------------------------------------------- 63
附錄:縮寫表 --------------------------------------------------------------------------- 67


表 次

表1-2-1 不同溫度下,電壓與M/z值對照表 ----------------------------------- 1
表1-2-2 hcp結構表示之三軸轉換四軸對照表 --------------------------------- 2
表3-2-1 相關濺鍍參數 ----------------------------------------------------------- 27
表3-4-1 電鍍液成分表 ----------------------------------------------------------- 28


圖 次

圖1-2-1 不同濃度的電鍍液,以定電壓1.25 V電鍍鈷之表面形貌 --------- 3
圖1-2-2 鈷成核的三大結構,3 D與2 D對照圖 ------------------------------- 3
圖1-2-3 鈷的hcp(002)結構之磁滯曲線 ----------------------------------------- 4
圖1-2-4 溫度50℃下,鈷結構對電流密度的關係圖-------------------------- 5
圖1-2-5 鈷的結構對薄膜厚度的關係圖 ---------------------------------------- 5
圖1-2-6 不同溫度下,鈷結構對電流密度的關係圖-------------------------- 6
圖1-2-7 脈衝電壓示意圖 --------------------------------------------------------- 6
圖1-2-8 XRD: 以脈衝電壓的方式電鍍鈷之結構分析 ----------------------- 7
圖1-2-9 AFM:以脈衝電壓的方式電鍍鈷之表面形貌 ------------------------ 7
圖1-2-10 XRD:不同比例的Pt含量之Co-Pt-W(P) ------------------------------ 8
圖1-2-11 鈷鉑合金相圖 ----------------------------------------------------------- 9
圖2-1-1 薄膜成長機制 ----------------------------------------------------------- 11
圖2-1-2 薄膜成長的三種模式--------------------------------------------------- 12
圖2-2-1 不同磁性磁矩排列情形示意圖 --------------------------------------- 13
圖2-2-2 磁滯曲線 ----------------------------------------------------------------- 14
圖2-3-1 θ角示意圖---------------------------------------------------------------- 15
圖2-4-1 電雙層模式 -------------------------------------------------------------- 18
圖2-4-2 循環伏安法(a)電位-時間關係圖(b)電流-電位關係圖 ------------- 20
圖2-4-3 定電流計時電位法 ----------------------------------------------------- 21
圖2-5-1 AFM探針針尖與樣品之間的作用力與距離關係 ------------------ 22
圖2-5-2 三種MOKE型態 -------------------------------------------------------- 24
圖3-3-1 電鍍槽裝置示意圖 ----------------------------------------------------- 28
圖3-4-1 恆電位儀外觀 ----------------------------------------------------------- 29
圖3-4-2 EC-Lab程式所作的電壓與時間之關係圖 --------------------------- 29
圖3-5-1 (a)金相顯微鏡外觀;(b)外接相機拍攝的薄膜表面圖 ------------ 30
圖3-5-2 原子力顯微鏡 ----------------------------------------------------------- 30
圖3-5-3 磁光柯爾效應儀裝置圖------------------------------------------------ 31
圖3-5-4 能量分散式x-ray螢光元素分析儀 ------------------------------------ 32
圖4-1-1 CV:0.025M硼酸溶液 ------------------------------------------------- 33
圖4-1-2 CV:0.1M硫酸鈷溶液 ------------------------------------------------- 34
圖4-1-3 CV:0.1M硫酸鈷溶液+0.025M硼酸溶液 --------------------------- 35
圖4-1-4 總電量6 mC定電流電鍍Co之磁性強度 ----------------------------- 36
圖4-1-5 總電量6 mC定電流電鍍Co之表面形貌 ----------------------------- 37
圖4-1-6 鈷的表面形貌與結構圖------------------------------------------------ 38
圖4-1-7 定電流與兩段式電流電鍍Co的磁滯曲線與表面形貌 ------------ 40
圖4-2-1 CV:0.5 M硼酸溶液 --------------------------------------------------- 41
圖4-2-2 CV:0.1 M硫酸鈷溶液+0.5 M硼酸溶液 ---------------------------- 42
圖4-2-3 CP:以定電流的方式電鍍Co之電量與電壓關係圖 --------------- 43
圖4-2-4 定電流與穩定電壓關係圖 --------------------------------------------- 43
圖4-2-5 CP:以兩段式電流的方式電鍍Co之電量與電壓關係圖 --------- 44
圖4-2-6 第二段電流與穩定電壓關係圖 --------------------------------------- 45
圖4-2-7 電量1mC之前的電壓變化 --------------------------------------------- 45
圖4-2-8 定電流電鍍Co之磁滯曲線 -------------------------------------------- 46
圖4-2-9 兩段式電流電鍍Co之磁滯曲線 -------------------------------------- 47
圖4-2-10 以不同電流形式電鍍總電量20.1 mC的Co之表面形貌 ---------- 48
圖4-2-11 定電流與兩段式電流電鍍Co之單位面積顆粒數(顆/μm2) ------ 49
圖4-2-12 加入不同硼酸濃度之CV曲線 --------------------------------------- 49
圖4-2-13 定電流電鍍Co的磁滯曲線 ------------------------------------------- 50
圖4-2-14 硼酸對鈷表面形貌的影響 ------------------------------------------- 51
圖4-3-1 CV:2.5 mM氯鉑氫酸溶液+0.1 M硫酸鈷溶液+0.5 M硼酸溶液 52
圖4-3-2 CP:以定電流的方式電鍍CoPt之電量與電壓關係圖 ------------ 53
圖4-3-3 CP:以兩段式電流的方式電鍍CoPt之電量與電壓關係圖------- 54
圖4-3-4 CoPt之能量對應其元素強度關係圖 --------------------------------- 55
圖4-3-5 Co與Pt之原子數百分比例關係圖 ------------------------------------ 56
圖4-3-6 以定電流的方式電鍍CoPt之磁滯曲線 ------------------------------ 57
圖4-3-7 以兩段式電流的方式電鍍CoPt之磁滯曲線------------------------- 58
圖4-3-8 加入0.05 M硼酸溶液,在ITO基板上電鍍CoPt之磁滯曲線------ 59


參考文獻

一、中文部分

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二、英文部分

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