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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李柏毅
研究生(外文):Po-Yi Li
論文名稱:室溫下以濺鍍法研製CoPt薄膜及其磁性之研究
論文名稱(外文):Magnetic properties of CoPt thin film sputtered at room temperature
指導教授:張晃暐
指導教授(外文):Huang-Wei Chang
口試委員:歐陽浩王昌仁
口試委員(外文):Hao OuyangChang-Ren Wang
口試日期:2014-07-11
學位類別:碩士
校院名稱:東海大學
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:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:135
中文關鍵詞:CoPt室溫
外文關鍵詞:CoPtRoom temperature
相關次數:
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應用於垂直式自旋電子系統中之理想磁性薄膜為於室溫環境下製備,且具有高垂直異向性之單層磁性膜。CoPt合金薄膜因具豐富之相變化且有高磁晶異向性能,而近年來倍受關注。因此為研製具垂直磁異向性且表面平坦的單層CoPt薄膜,本研究以射頻磁控濺鍍法於室溫(RT)下製備CoPt薄膜在Pt及Ta雙底層的玻璃及SiO2/Si(100)基板上。藉由雙底層的引入,冀可於室溫下製備出具垂直磁異向性的CoPt薄膜。本實驗初期測試不同成長Co80Pt20薄膜溫度(Tg = RT - 400 oC)效應對其磁性之影響;亦研究了於RT下成長Co80Pt20薄膜之後退火溫度(Tp = RT - 600 oC)效應;並探討了底層的厚度效應。實驗結果顯示於室溫下在SiO2/Si(100)及玻璃基板上,以Ta(20 nm)及Pt(20 nm)雙底層,製備出具有高垂直磁異向性的Co80Pt20薄膜。成長Co80Pt20薄膜之溫度至400 oC或是室溫下成長的CoPt薄膜經後退火至600 oC,亦皆呈現良好垂直磁異向性。此外,將兩底層厚度降至5 nm,Co80Pt20薄膜亦呈現良好垂直磁異向性。再者,本實驗亦研究了底層效應、Co50Pt50薄膜厚度及富Co (Co-rich)至貧Co (Co-lean)成分為Co100-xPtx(x = 40-60)薄膜、Co50Pt50薄膜之後退火溫度(Tp =RT - 450 oC)等效應對CoPt薄膜磁性的影響。實驗結果顯示室溫下在SiO2/Si(100)上,以Ta(5 nm)及Pt(10 nm)雙底層,製備出具有高垂直磁異向性的5 nm 厚Co50Pt50薄膜。其具低本質矯頑磁力(Hc⊥= 433 Oe)與高之角型性(S=0.96)以及十分平坦的表面(Rrms ≦ 0.3 nm)。TEM分析鑑定了使用雙底層Pt及Ta層製備Co50Pt50薄膜為六方晶結構。因此,在室溫下使用雙底層所製備之Co50Pt50薄膜呈現高度垂直磁異向性。以室溫下濺鍍2-20 nm 厚之Co50Pt50薄膜皆呈現良好之垂直磁異向性與十分平坦之表面;此外,5-20 nm厚Co50Pt50薄膜經RT-450 oC之溫度退火後仍保有良好之垂直磁異向性,此揭示出Co50Pt50薄膜具有良好的熱穩定性。此外,5 nm厚Co100-xPtx(x = 40-60)薄膜皆呈現十分平坦表面與良好垂直磁異向性,此指出CoPt薄膜具廣泛的適用範圍。最後,Co50Pt50/Ru/Co50Pt50/Pt/Ta/SiO2/Si(100)多層膜呈現出典型之RKKY效應中的反鐵磁耦合之現象,此驗證了本實驗所研製之CoPt薄膜極具應用於各種垂直式自旋電子元件中鐵磁層之潛能。
To attain a single-layer alloy film showing high perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and very flat surface obtained from room-temperature (RT) deposition is of importance for perpendicular spintronic applications (PSA). In order to achieve smooth surface and high PMA in single-layered alloy film, in our present work, CoPt thin films are sputtered onto Pt/Ta-buffered glass or SiO2/Si(100) substrates at RT. First, effect of growth temperature (Tg=RT-600 oC), post-annealing temperature (Tp =RT-450 oC), and thickness of underlayers on the magnetic properties of Co80Pt20 thin films are investigated. Co80Pt20 films with high PMA sputtered at RT are successfully obtained by introducing both Pt(20 nm) and Ta(20 nm) underlayers on either the glass or SiO2/Si(100) substrate. Co80Pt20 films deposited at RT-600oC or post-annealing at 100-450oC also exhibit good PMA. Co80Pt20 film on Pt(10 nm) and Ta(5 nm) shows comparable PMA to that on Pt(20 nm) and Ta(20 nm). On the other hand, effect of underlying, Co50Pt50 thickness, Co100-xPtx (x=40-60) composition, post-annealing temperature (Tp =RT - 450 oC) on the magnetic properties for Co50Pt50 thin films are also studied. The experimental results that a tetragonal Ta layer play a crucial role in enhancing the face-center-cubic Pt(111) texture, then enhancing hexangonal CoPt(0002) texture, and besides, in reducing the surface roughness of CoPt film. As a result, 10-nm-thick Co50Pt50 films sputtered onto Pt(10 nm)/Ta(5 nm) buffered on SiO2/Si(100) substrate at RT display very flat surface with roughness below 0.35 nm and high PMA with low coercivity (Hc⊥= 433 Oe) and high squarness ratio (S=0.96). Co50Pt50 films with 2-20 nm in thickness also exhibit good PMA and smooth surface morphology. Besides, RT-deposited Co50Pt50 films post-annealed at 100-450 oC remains good PMA, revealing a good thermal stability of PMA for this studied Co50Pt50 films. Besides, good PMA and smooth surface morphology also achieved for 5-nm-thick Co100-xPtx films with x = 40-60 indicates a wide composition range for PSA. Finally, Co50Pt50 (3 nm)/Ru(1.2 nm)/Co50Pt50(3 nm)/Pt(10 nm)/Ta(3 nm)/SiO2/Si(100) show a typical antiferromagnetic coupling of RKKY. The results of present study suggest that studied CoPt films have great potential for perpendicular spintronic devices applications.
誌謝 i
中文摘要 ii
英文摘要 iv
目錄 vii
表目錄 xiii
圖目錄 xv
常用名詞說明 xxi
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 磁記錄媒體的發展 3
1-2-1 磁帶 3
1-2-2 硬碟 5
1-2-3 磁記錄方向 13
1-2-4 隨機存取記憶體 16
1-3 CoPt二元合金結構 18
1-3-1 A1-CoPt-α(非序化)二元合金結構 19
1-3-2 L10-CoPt(序化)二元合金結構 19
1-3-3 L11-CoPt(序化)二元合金結構(亞穩態) 20
1-3-4 mD019-Co3Pt(序化)二元合金結構(亞穩態) 20
1-3-5 L12-CoPt3 (序化)二元合金結構 20
1-3-6序化與非序化 21
1-4 文獻回顧 22
1-4-1 以濺鍍法製備L11-CoPt薄膜之相關文獻 22
1-4-2 以濺鍍法製備m-D019-Co3Pt薄膜之相關文獻 25
1-4-3 以濺鍍法於室溫下製備CoPt薄膜之相關文獻 28
1-5 研究動機與目的 33
第二章 基礎理論 35
2-1 磁性質原理介紹 35
2-1-1 磁性的來源 35
2-1-2磁性的分類 36
2-2磁異向性 40
2-2-1磁晶異向性 41
2-2-1-1立方晶體的磁晶異向性 42
2-2-1-2六方晶體的磁晶異向性 44
2-2-2形狀異向性 45
2-3磁滯曲線 48
2-4 磁性交換耦合與RKKY效應 50
2-5物理氣相沉積法 51
2-5-1直流濺鍍法 51
2-5-2射頻磁控濺鍍法 55
2-6薄膜沉積原理 59
第三章 實驗方法 64
3-1 實驗材料 64
3-2 實驗設備 65
3-2-1 濺鍍系統 65
3-3 實驗流程 66
3-3-1基板清洗步驟 66
3-3-2製備薄膜底層以及緩衝層之參數 67
3-3-3製備磁性層薄膜之參數 68
3-4 實驗量測 70
3-4-1 膜厚分析 70
3-4-2 EDS成份分析 71
3-4-3 X光繞射分析 72
3-4-4原子力顯微鏡分析 73
3-4-5 掃描式電子顯微鏡分析 75
3-4-6 穿透式電子顯微鏡分析(Transmission Electron Microscope,TEM) 79
3-4-7 磁性量測 83
第四章 結果與討論 84
4-1溫度及底層厚度效應對Co80Pt20薄膜磁性之影響 85
4-1-1成長溫度效應對Co80Pt20薄膜結構、表面形貌及磁性之影響 86
4-1-2後退火溫度效應對沉積於Pt/Ta/SiO2/Si(100)的Co80Pt20薄膜磁性之影響 93
4-1-3底層厚度效應對沉積於Pt/Ta/SiO2/Si(100)基板上的Co80Pt20膜磁性之影響 96
4-1-4小結 99
4-2底層效應對Co50Pt50薄膜磁性之影響 100
4-2-1 Co50Pt50薄膜於不同底層之結構及表面形貌分析 101
4-2-2 Co50Pt50薄膜於不同底層之微觀組織分析 104
4-2-3 Co50Pt50薄膜於不同底層之磁性分析 107
4-2-4 小結 109
4-3不同厚度Co50Pt50薄膜磁性及其熱穩定性之研究 110
4-3-1不同厚度Co50Pt50薄膜之XRD分析 111
4-3-2不同厚度Co50Pt50薄膜之SEM分析 112
4-3-3不同厚度Co50Pt50薄膜之磁性分析 114
4-3-4 Co50Pt50薄膜熱穩定性之研究 116
4-3-5 小結 121
4-4 Co100-xPtx(x = 40-60)薄膜磁性之研究 122
4-4-1 Co100-xPtx(x = 40-60)薄膜之XRD分析 122
4-4-2 Co100-xPtx(x = 40-60)薄膜之SEM分析 123
4-4-3 Co100-xPtx(x = 40-60)薄膜之磁性分析 124
4-4-4 小結 125
4-5 Co50Pt50/Ru/Co50Pt50/Pt/Ta/SiO2/Si(100)多層膜磁性之研究 126
第五章 結論 128
文獻回顧 130

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