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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:洪士育
研究生(外文):Shih-Yu Hung
論文名稱:氮化銦基薄膜磁性與超導特性之研究
論文名稱(外文):Magnetic and Superconductive properties of InN-based thin films
指導教授:張本秀
指導教授(外文):Pen-Hsiu Chang
口試委員:陳詩芸余炳盛
口試委員(外文):Shih-Yun ChenBing-Sheng Yu
口試日期:2012-06-26
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:資源工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
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:78
中文關鍵詞:氮化銦基薄膜磁性超導快速熱退火分子束磊晶有機金屬化學沉積
外文關鍵詞:InNMOCVDMBERTASuperconductivityCurie Law
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本論文探討氮化銦基薄膜之磁性與超導特性。氮化銦基薄膜為c軸取向之烏采結構,包括由分子束磊晶法製作之氮化銦薄膜、以有機金屬化學沉積法製作之氮化銦鎂薄膜、以及由離子佈植方式製備之氮化銦錳薄膜;同時藉由快速熱處理製程使氮化銦錳薄膜品質最佳化。
利用X-ray繞射儀、掃描式電子顯微鏡分析結構與表面特性;電性則藉由霍爾量測分析之;磁性與超導方面則以超導量子干涉儀量測磁化強度隨溫度變化之關係,分別以零場冷卻以及場冷卻模式探討之。
研究結果顯示:
1. 氮化銦具有順磁性,可以居里順磁公式擬合,發現樣品中之磁矩間有微弱之交換交互作用。樣品在1.8 K未出現超導相變,認為與其順磁性磁矩有關。
2. 氮化銦鎂薄膜,在5 K出現超導相變, 推測鎂離子摻雜,能有效屏蔽氮化銦之順磁性磁矩,有利電子配對成庫柏對使樣品超導。
3. 氮化銦錳薄膜,錳離子摻雜使氮化銦薄膜有較大順磁性磁矩;樣品在3 K出現超導相變,藉由快速熱處理製程使氮化銦錳薄膜品質最佳化後,超導相變溫度提高到3.8 K。推測與其順磁性磁矩被有效屏蔽有關。其超導為第二類超導體,具各向異性。

The purpose of this study is to investigate the magnetic and superconductive properties of InN-based thin films. InN-based thin films studies here are c-axis orientated Wurtzite structure with GaN buffer layer and sapphire substrate. The InN is fabricated by MBE, the Mg-doped InN is fabricated by MOCVD and Mn-Doped InN is by Mn ion implantation method. RTP is used to optimize the quality of the films.
The structures and surface properties were studied by XRD, SEM and EDX. Transport properties were made by Hall measurements with van de pauw geometry. Temperature-dependent magnetization is studied by SQUIDs with zero-filed cooling and field cooling modes.
Our results are summarized as following:
1. The temperature-dependent magnetization curve of InN thin films was fitted by Curie-Weise law and Langevin diamagnetic part. The results show that there is paramagnetic contribution of InN. Due to the magnetic moment, InN did not show superconductivity at T =1.8 K.
2. Mg-doped InN show superconductivity at 5 K for the effect of Mg doping can screen the magnetic moment in InN.
3. The paramagnetic component of Mn-doped InN is larger than that of InN and sample show superconductivity at 3.8 K. This scenario suggests that the magnetic moment of Mn-dopen InN is screened and the electrons can become cooper pairs thus show superconducting Meissner effect. Mn-doped InN is type II superconductor and show anisotropic magnetic properties.

目錄
摘要 ................................................................................................................................... i
ABSTRACT..................................................................................................................... ii
誌謝................................................................................................................................. iii
目錄 ................................................................................................................................. iv
表目錄............................................................................................................................. vi
圖目錄............................................................................................................................ vii
第一章 緒論 .............................................................................................................. 1
1.1 前言 .............................................................................................................. 1
1.2 離子摻雜 ...................................................................................................... 2
1.3 研究動機 ...................................................................................................... 3
第二章 儀器與基本原理 .......................................................................................... 4
2.1 製程原理 ...................................................................................................... 4
2.1.1 分子束磊晶[15]................................................................................ 4
2.1.2 有機金屬化學氣相沉積[15]............................................................ 6
2.1.3 離子佈植 .......................................................................................... 7
2.1.4 快速熱處理製程[16-17] .................................................................. 8
2.2 分析儀器原理 ............................................................................................ 10
2.2.1 X-ray繞射儀[16] ........................................................................... 10
2.2.2 掃描式電子顯微鏡[18].................................................................. 11
2.2.3 超導量子干涉儀 ............................................................................ 13
2.2.4 霍爾效應量測 ................................................................................ 14
2.3 磁特性 ........................................................................................................ 15
2.4 半導體的磁性:半導體的主要磁性來源主要為以下四種機制 ............ 17
2.4.1 載子引致鐵磁性與平均場近似理論[20].................................... 17
2.4.2 侷限載子式鐵磁性[20-21] ........................................................... 18
2.4.3 交互巡迴式鐵磁性....................................................................... 19
2.4.4 自旋玻璃態[22]............................................................................. 19
2.5 超導性質[23-24] ........................................................................................ 20
第三章 實驗步驟與方法 ........................................................................................ 23
3.1 鐵基超導體[25].......................................................................................... 23
3.2 薄膜成長 .................................................................................................... 25
3.2.1 氮化銦薄膜.................................................................................... 26
3.2.2 氮化銦錳薄膜................................................................................ 26
3.2.3 氮化銦鎂薄膜................................................................................ 27
3.3 實驗步驟 .................................................................................................... 28
第四章 結果與討論 ................................................................................................ 29
4.1 熱處理溫度與時間對氮化銦基薄膜之影響 ............................................ 29
4.1.1 氮化銦薄膜 .................................................................................... 29
4.1.2 氮化銦錳薄膜 ................................................................................ 32
4.1.3 蝕刻氮化銦錳薄膜 ........................................................................ 36
4.1.4 鎂、錳離子摻雜比較 .................................................................... 36
4.2 Van der pauw Hall量測分析...................................................................... 38
4.2.1 氮化銦薄膜 .................................................................................... 38
4.2.2 氮化銦錳薄膜 ................................................................................ 39
4.2.3 鎂、錳離子摻雜比較 .................................................................... 40
4.3 掃描式電子顯微鏡分析 ............................................................................ 41
4.3.1 氮化銦表面型態 ............................................................................ 41
4.3.2 氮化銦錳與氮化銦鎂表面型態 .................................................... 46
4.3.3 橫截面分析 .................................................................................... 54
4.4 超導量子干涉儀 ........................................................................................ 63
4.4.1 正常態M-T分析........................................................................... 63
4.4.2 超導態M-T分析........................................................................... 70
第五章 結論 ............................................................................................................ 74
參考文獻........................................................................................................................ 76

表目錄
表 2.5.1 超導元素...................................................................................................... 22
表 3.1.1 鐵基超導體四大類參數[25]........................................................................ 24
表 3.2.1 各元素之離子半徑[17]................................................................................ 25
表 3.2.2 各元素離子之有效磁子數[32].................................................................... 26
表 3.2.3 氮化銦薄膜退火前後樣品編號.................................................................. 26
表 3.2.4 氮化銦錳薄膜退火前後樣品編號.............................................................. 27
表 4.3.1 氮化銦薄膜熱處理10分鐘之EDX分析.................................................. 43
表 4.3.2 氮化銦薄膜熱處理30分鐘之EDX分析.................................................. 45
表 4.3.3 氮化銦錳熱處理10分鐘之薄膜表面之EDX分析.................................. 48
表 4.3.4 氮化銦錳熱處理30分鐘之EDX分析...................................................... 50
表 4.3.5 氮化銦錳熱處理1小時之EDX分析........................................................ 52
表 4.3.6 氮化銦鎂薄膜之EDX分析........................................................................ 53
表 4.4.1 正常態氮化銦薄膜數據.............................................................................. 64
表 4.4.2 正常態氮化銦錳薄膜數據.......................................................................... 67
表 4.4.3 正常態氮化銦鎂數據.................................................................................. 69
表 4.4.4 長程磁有序數據 .......................................................................................... 69
表 4.4.5 超導態詳細數據 ..........................................................................................73

圖目錄
圖 2.1.1 分子束磊晶儀器腔體.................................................................................... 5
圖 2.1.2 分子束於薄膜磊晶表面的行為示意圖........................................................ 5
圖 2.1.3 反射式高能電子繞射訊號示意圖................................................................ 6
圖 2.1.4 MOCVD系統的組件示意圖......................................................................... 7
圖 2.1.5 離子佈植原理圖............................................................................................ 8
圖 2.2.1 X-ray繞射示意圖........................................................................................ 11
圖 2.2.2 掃描式電子顯微鏡基本構造示意圖.......................................................... 12
圖 2.2.3 電子束與試片作用圖.................................................................................. 13
圖 2.4.1 理論預測稀磁性半導體的居禮溫度實線標示出室溫(300 K)[22]...... 18
圖 2.4.2 鐵磁態與自旋玻璃態之間的能量差異[24]................................................ 18
圖 2.5.1 (a)第一類超導磁性質,(b)第二類超導磁性質................................. 22
圖 3.1.1 鐵基超導體四大類...................................................................................... 25
圖 3.3.1 實驗流程圖.................................................................................................. 28
圖 4.1.1 熱處理10分鐘之氮化銦薄膜XRD分析.................................................. 30
圖 4.1.2 熱處理10分鐘之氮化銦薄膜XRD分析(2θ:29.5°~33°).................. 31
圖 4.1.3 熱處理30分鐘之氮化銦薄膜XRD分析.................................................. 31
圖 4.1.4 熱處理30分鐘之氮化銦薄膜XRD分析(2θ:29.5°~33°).................. 32
圖 4.1.5 熱處理10分鐘之氮化銦錳薄膜XRD分析.............................................. 33
圖 4.1.6 熱處理10分鐘之氮化銦錳薄膜XRD分析(2θ:29°~33.5°).............. 34
圖 4.1.7 熱處理30分鐘之氮化銦錳薄膜XRD分析.............................................. 34
圖 4.1.8 熱處理30分鐘之氮化銦錳薄膜XRD分析(2θ:29°~33.5°).............. 35
圖 4.1.9 熱處理1小時之氮化銦錳薄膜XRD分析................................................ 35
圖 4.1.10 熱處理1小時之氮化銦錳薄膜XRD分析(2θ:29°~33.5°).............. 36
圖 4.1.11 氮化銦錳薄膜經鹽酸蝕刻30分鐘前後XRD分析................................ 37
圖 4.1.12 氮化銦薄膜摻雜不同元素(鎂、錳)XRD分析................................... 37
圖 4.2.1 氮化銦薄膜熱處理下保持溫度10分鐘與30分鐘霍爾量測分析.......... 38
圖 4.2.2 氮化銦錳薄膜熱處理下不同時間之霍爾量測..........................................39
圖 4.2.3 摻雜不同元素與氮化銦薄膜霍爾量測分析.............................................. 40
圖 4.3.1 氮化銦薄膜熱處理10分鐘之薄膜表面.................................................... 42
圖 4.3.2 氮化銦薄膜熱處理30分鐘之薄膜表面.................................................... 44
圖 4.3.3 氮化銦錳熱處理10分鐘之薄膜表面........................................................ 47
圖 4.3.4 氮化銦錳熱處理30分鐘之薄膜表面........................................................ 49
圖 4.3.5 氮化銦錳熱處理1小時之薄膜表面.......................................................... 51
圖 4.3.6 氮化銦薄膜熱處理10分鐘橫截面與45°.................................................. 56
圖 4.3.7 氮化銦薄膜熱處理30分鐘橫截面與45°.................................................. 58
圖 4.3.8 氮化銦錳薄膜熱處理10分鐘各樣品45°表面形貌.................................. 59
圖 4.3.9 氮化銦錳薄膜熱處理30分鐘各樣品45°表面形貌.................................. 60
圖 4.3.10 氮化銦錳薄膜熱處理1小時各樣品45°表面形貌.................................. 61
圖 4.3.11 氮化銦鎂薄膜橫截面與45°(a)橫截面(b)45°................................. 62
圖 4.4.1 磁場平行氮化銦薄膜之M-T曲線............................................................. 65
圖 4.4.2 磁場垂直氮化銦薄膜之M-T曲線............................................................. 65
圖 4.4.3 磁場平行氮化銦錳薄膜之M-T曲線......................................................... 66
圖 4.4.4 磁場垂直氮化銦錳薄膜之M-T曲線......................................................... 66
圖 4.4.5 磁場平形氮化銦與氮化銦錳之M-T曲線................................................. 68
圖 4.4.6 磁場垂直氮化銦與氮化銦錳之M-T曲線................................................. 68
圖 4.4.7 不同摻雜元素下超導態之M-T分析......................................................... 70
圖 4.4.8 氮化銦錳熱處理10分鐘平行FC超導態之M-T分析............................ 71
圖 4.4.9 氮化銦錳熱處理10分鐘平行ZFC超導態之M-T分析.......................... 71
圖 4.4.10 氮化銦錳熱處理10分鐘垂直FC超導態之M-T分析.......................... 72
圖 4.4.11 氮化銦錳熱處理10分鐘垂直ZFC超導態之M-T分析........................ 72

參考文獻
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