臺灣博碩士論文加值系統

本研究透過雙離子束輔助濺鍍系統研究(a)鐵/鐵釩薄膜中，濺鍍鐵同時以End-Hall離子束(VEH=70V)轟擊基板，改變鐵薄膜厚度對磁性質及微結構的影響;(b)鐵/氧化鐵/鐵/鐵釩薄膜中，自然氧化一層氧化鐵對系統之磁性質影響。

微結構部分利用穿透式電子顯微鏡(TEM)分析，當鍍鐵時間在1分鐘內時，表面未出現晶粒，當鍍鐵時間延長到兩分鐘以上，表面開始產生晶粒。SAD選區繞射結果顯示，鐵薄膜在濺鍍時間較短(1分鐘)的情況下，並不會形成結晶，推測可能因為濺鍍時間短，此時鐵薄膜尚未形成結晶，而是以類非晶的形態出現，而當鍍鐵時間增長(2分鐘以上)，鐵薄膜開始結晶並出現繞射環，此時有FeV以及Fe(B.C.C.結構, a=2.976 Å)，此結果和表面形貌所觀察到的相符;而在氧化鐵薄膜中，本研究透過將鐵暴露在空氣中自然氧化成為氧化鐵(~1nm)，氧化鐵之(110)繞射環在為H.C.P結構，晶格常數為a=4.988 Å和標準值a=5.038 Å相近。

磁性質部分，本研究利用震動樣品磁力計(VSM)以及超導量子干涉儀(SQUID)量測，在室溫下，鐵(5.4nm)/鐵釩和鐵(3.16nm, tB=1min)/鐵釩薄膜兩試片呈順磁性，鐵(5.9nm, tB=5min)/鐵釩則為鐵磁性，矯頑磁場(Hc)在10~26Oe間，且無明顯的交換偏壓效應；180K下試片皆呈鐵磁性，矯頑磁場大小為1~39Oe，同樣無交換偏壓效應，Mr/Ms比例隨鐵薄膜厚度增加而增加；2K環境下，矯頑磁場為12~52Oe，皆無明顯交換偏壓場。鐵(6.35nm, tB=5min)/氧化鐵(~2nm)/鐵(3.81nm, tB=5min)/鐵釩薄膜之磁性質部分，矯頑磁力隨著溫度的降低而升高，最大值為2K時所測得之130Oe、交換偏壓場為-139Oe，發生原因為鐵磁層中夾入一層氧化鐵作為反鐵磁層，使得反鐵磁層之上下兩界面都發生交換耦合效應。

根據極化中子反射儀(PNR)之量測及模擬結果，在鐵(5.9nm,tB=5min)/鐵釩樣品中，磁矩由室溫之1.5μB/formula上升至5K時1.9μB/formula，趨近塊材值2.2μB/formula。含氧化鐵之樣品則以1T場冷至5K後量測，結果顯示磁矩由-50G外加場時1μB/formula上升到飽和(-1000G)時的2μB/formula，在外加場增加的過程中，於接近-200G時發生自旋翻轉的現象，和超導量子干涉儀(SQUID)之結果交互驗證，可以得知此樣品在約-200G時感應磁場(B)為0並發生自旋翻轉，即M-H曲線上之Hc點；透過磁性縱深分析結果鐵/氧化鐵/鐵界面因離子束轟擊，磁性呈梯度分佈，受到反鐵磁層pinning的影響，較靠近氧化鐵之鐵薄膜層磁性較弱，使磁性呈梯度分佈，直到2~3奈米以上鐵薄膜受到的影響才逐漸降低，進一步分析可得到磁矩方向和磁場間之夾角隨深度的變化。

摘要 i
Abstract ii
總目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 x
第一章 1
1-1前言 1
1-2 基礎理論 2
1-2-1磁性物質簡介 2
1-2-1-1順磁性(Paramagnetic) 3
1-2-1-2鐵磁性(Ferromagnetic) 4
1-2-1-3反鐵磁性(Antiferromagnetic) 5
1-2-1-4亞鐵磁性(Ferrimagnetic) 6
1-2-2 交換耦合機制 7
1-3文獻回顧 8
1-3-1 釩/鐵組成之超導/鐵磁薄膜系統 8
1-3-2 鐵/氧化鐵雙層膜在氧化鎂(001)中之磁性質[6] 10
1-3-3奈米氧化鐵薄膜中反鐵磁規則之穩定性[7] 11
1-3-4 離子束轟擊NiFe/NiO系統中NiO表面對交換偏壓場的影響 13
1-3-5 氧含量對鎳鐵/氧化鐵結構之影響[11] 16
1-4 應用 17
1-4-1 巨磁阻(GMR) 17
1-4-2 自旋閥元件(Spin-Valve) 18
1-5 研究動機 19
1-6 參考文獻 20
第二章、實驗方法與設計 21
2-1實驗設計 21
2-2 材料選用 23
2-3樣品製備 24
2-3-1 基材前處理 24
2-3-2 薄膜製備 24
2-4雙離子束輔助濺鍍系統(ION BEAM ASSISTED DEPOSITION, IBAD) 25
2-4-1濺鍍原理及系統特點 25
2-4-2 Kaufman離子源 27
2-4-3 End-Hall離子源 28
第三章、分析儀器原理介紹 29
3-1 X光繞射儀 XRD 29
3-2穿透式電子顯微鏡TEM 30
3-3 震動樣品磁力計VSM 32
3-4 極化中子反射儀 PNR 33
3-5 化學分析電子能譜儀 ESCA 34
3-6 超導量子干涉儀SQUID 35
3-7 拉塞福背向散射儀RUTHERFORD BACKSCATTERING 36
3-7-1 運動因子(Kinematic Factor, K) 37
3-7-2 散射截面(Scattering Cross Section) 38
3-7-3 能量損失率(Stopping power) 38
3-8 第三章參考文獻 39
第四章、結果與討論 40
4-1 X光繞射分析(XRD) 40
4-2 穿透式電子顯微鏡(TEM)微結構分析 45
4-3 震動樣品磁力計(VSM)磁性分析 53
4-4 化學分析電子能譜儀(ESCA) 57
4-4-1縱深分析 57
4-4-2成分分析 59
4-5 極化中子反射儀(PNR) 72
4-6 拉塞福背向散射分析儀RBS 79
4-7 超導量子干涉儀 SQUID 82
4-8參考文獻 83
第五章、結論 84

第一章
[1 ] W. H. Meiklejohn and C. P. Bean, Phys. Rev., 105, 904 (1957)
[2] E. Gapihan, R. C. Sousa, J. Hérault, C. Papusoi, M. T. Delaye, B. Dieny, I. L. Prejbeanu, C. Ducruet, C. Portemont, K. Mackay, and J-P Nozières, IEEE Transactions on magnetics, 46, No. 6, 2486-2488 (2010)
[3] Spaldin, Nicola Ann. Magnetic Materials : Fundamentals and Applications. 2nd ed. Cambridge: Cambridge university press (2011).
[4] J. Nogues, I.K. Schuller, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 192, 203-232 (1999).
[5] L.R. Tagirov et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 240, 577–579 (2002).
[6] A. Kozioł-Rachwał, T. Slezak, T. Nozaki, S. Yuasa and J. Korecki, Applied Physics Letters 108, 041606 (2016).
[7] S. Couet, K. Schlage, R. Ruffer, S. Stankov, Th. Diederich, B. Laenens and R. Rohlsberger, Physical Review Letters, 103, 097201 (2009)
[8] G. Li, C. W. Leung, C. Shueh, H. F. Hsu, H. R. Huang, K. W. Lin, P. T. Lai, Philip W. T. Pong, Surface & Coatings Technology, 228 (2013) S437–S441
[9] N.C. Koon, Phys. Rev. Lett., 78, 4865 (1997).
[10] J. McCord, C. Hamann, R. Schafer, L. Schultz, R. Mattheis, Phys. Rev. B, 78, 094419 (2008).
[11] K.-W. Lin, P.-H. Ko, Z.-Y. Guo, H. Ouyang, and J. van Lierop, Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol.7, 265–271 (2007)
[12] M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Etienne, G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988)
第三章
[1] B.D. Cullity, “Elements of X-ray Diffraction”, Addison-wesley (1956)
[2] David B. Williams, C. Barry Carter, “Transmission Electron Microscopy: A Text book for Material Science”, Springer (2009).
[3] Foner, S., the Review of Scientific Instrument, Vol.30, No. 7, PP. 548-557(1959).
[4] 蘇暉家、李志浩，物理雙月刊，三十卷一期，2008。
[5] M. James, A. Nelson, A. Brule and J. C. Schulz, Journal of Neutron Research, Vol. 14, No. 2, PP. 99-108(2006)
[6] 楊鴻昌，物理雙月刊，廿四卷五期，2002
[7] J. Q. You & Franco Nori, Nature, Vol. 474, 591(2011)
[8] Raymond W. Simmonds, Nature, Vol. 492, 359 (2012)
第四章
[1]S. Couet, K. Schlage, R. Ruffer, S. Stankov, Th. Diederich, B. Laenens and R. Rohlsberger, Physical Review Letters, 103, 097201 (2009)