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研究生:詹明哲
研究生(外文):Ming-Che Chan
論文名稱:Ta/Ni-Fe-Co/Ta薄膜結構、磁性及異向性磁阻之研究
論文名稱(外文):Structure, Magnetic properties and Anisotropic magnetoresistance of Ta/Ni-Fe-Co/Ta thin films
指導教授:魏大華,張晃暐
指導教授(外文):Da-Hua Wei,Huang-Wei Chang
口試委員:魏大華,袁輔德,任盛源,張晃暐
口試日期:2016-07-19
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:製造科技研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:104
語文別:中文
中文關鍵詞:Ta/Ni-Fe-Co/Ta薄膜、異向性磁阻、磁性
外文關鍵詞:Ta/Ni-Fe-Co/Ta thin filmsAnisotropic magnetoresistanceMagnetic properties
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NiFe合金由於具有良好異向性磁阻(AMR)、低矯頑磁力、高靈敏度及材料成本低之優點,因此在目前磁場感測器領域的應用,極具發展潛力。本實驗首先探討Ta底層效應對Ta/NiFe/Ta薄膜之結構、磁性及異向性磁阻之影響。實驗結果顯示,在沒有Ta底層時,並沒有觀察到NiFe (111)繞射峰,且MR不到1%。隨著Ta底層的加入,NiFe (111)結晶性提升,MR提升至1.2-1.9%。為了得到最佳化參數,調整Ta底層厚度、工作壓力、NiFe層厚度及工作壓力並進行磁場下後退火處理。在250 oC退火溫度之Ta/NiFe (100 nm)/Ta薄膜中,MR及矯頑磁力分別為3.3%及0.1 Oe。再者,NiCo合金雖擁有較高的MR,因其薄膜相關研究甚少。故本研究製備Ta/Ni100-xCox/Ta薄膜(x=20-75)並改變NiCo層厚度及進行磁場下後退火處理,發現MR隨著Co含量的增加而下降,而Hc則相反。且經過退火的NiCo薄膜其優選方向皆由(111)轉為(200)。在250 oC退火溫度之Ta/Ni80Co20 (150 nm)/Ta薄膜中,MR及矯頑磁力分別為5%及4 Oe。接著製備Ta/NiFeCo/Ta薄膜,調整Co的添加量、NiFeCo層工作壓力、NiFeCo層厚度及進行磁場下後退火處理。MR隨著Co含量的增加有先升後降之趨勢。在250 oC退火溫度之Ta/Ni67Fe13Co20 (100nm)/Ta薄膜中,MR及Hc分別為3.8%及0.7 Oe。以上實驗結果顯示出Co的添加有助於提升MR。由Ni80Fe20之3.3%提升至Ni67Fe13Co20之3.8%。可能原因為Co進入至NiFe晶體結構中,增強其自旋-軌道耦合,因而提高其MR。再者,本研究所研製之薄膜皆於室溫,故表面皆十分平坦,表面粗糙度皆低於0.4 nm。以上實驗結果顯示出適當地控制濺鍍參數與Co之添加量有助於提升MR 。且Ta/Ni67Fe13Co20/Ta薄膜兼具Ta/NiCo/Ta之高MR及Ta/NiFe/Ta之低Hc之優點,利於應用。擁有較NiFe大之MR及比NiCo小的Hc,故其應用性較佳。最後再利用Pt緩衝層來提高電子傳輸過程中的自旋-軌道間的耦合,進而提升MR。在Ta/Pt/Ni67Fe13Co20 (20nm) /Ta薄膜中,MR提高至3.2%。
NiFe (permalloy) alloy has received considerable attention due to its good anisotropic magnetoresistance(AMR), low coercivity(Hc), high sensitivity and low cost for applications in magnetic field sensor. At first, we investigate structure, magnetic properties and AMR of Ta/NiFe/Ta films with various thickness and working pressure of Ta underlayer and NiFe layer and also post-annealing temperature at magnetic field of 1000 Oe. No NiFe(111) diffraction peak related to NiFe is observed, and thus MR is below 1%. Ta underlayer, could strengthen the crystallinity of NiFe (111) phase, and therefore MR is improved to 1.2-1.9%.Though post- annealing at 250 oC, Ta/NiFe(100 nm)/Ta shows enhanced MR of 3.3% and low Hc of 0.1 Oe. However NiCo alloy was reported to high MR of 5%, but few report related to NiCo thin film is available. Therefore, we investigate structure, magnetic properties and MR of Ta/Ni100-xCox/Ta films(x=20-75) with various thickness of NiCo layer and also post-annealing temperature at magnetic field of 1000 Oe. MR decrases with the increase of content Co, but Hc increases. With increasing post-annealing temperature the texture is transformed from (111) into (200). The optimized MR of 5% with Hc of 4 Oe is obtained. Furthermore, MR increases at first, and then decreases with increasing x. We also investigate structure, magnetic properties, and MR of Ta/NiFeCo/Ta films with various thickness and working pressure of NiFeCo layer and also post-annealing temperature at magnetic field of 1000 Oe. The above results indicate that proper Co addition is effecting in increasing MR from 3.3% for Ta/NiFe/Ta to 3.8% for Ta/Ni67Fe13Co20/Ta, might be from the strengthened spin-orbit coupling due to the entrance of Co into NiFe (111) phase. All studied films deposited at RT and annealed at proper temperature show flat and smooth surface with low roughness of 0.15-0.50 nm. Finally, using Pt insert layer can enhance electronic conduction process in the spin-orbit interaction, which promotes MR. Finally, structure, magnetic properties and MR of Ta/Pt/Ni67Fe13Co20(20 nm)/Pt/Ta films with post-annealing temperature at magnetic field of 1000 Oe is also studied. Through post-annealing temperature at 250 oC, high MR of 3.2% with low Hc of 0.4 Oe is obtained.
目錄
摘要 i
目錄 vii
表目錄 xii
圖目錄 xiii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究目的 4
第二章 理論基礎與文獻回顧 6
2.1 磁性來源 6
2.2 磁性物質分類 7
2.3 磁異向性(magnetic anisotropy) 10
2.3.1 磁晶異向性 11
2.3.2 形狀異向性 12
2.3.3應力異向性 12
2.3.4交換異向性 12
2.3.5誘導異向性 13
2.4 磁滯曲線 14
2.5 磁區 15
2.6 磁電阻的簡介 16
2.6.1 磁電阻的效應 17
2.6.2 磁電阻原理 17
2.6.3 異向性磁阻 19
2.6.5 巨磁阻 22
2.6.6 穿隧磁阻 24
2.6.7超巨磁阻效應 25
2.6.8自旋電子元件之發展 25
2.7 濺鍍原理 27
2.7.1 濺鍍法 30
2.8薄膜成長機制 32
2.9 文獻回顧 34
2.9.1不同非磁性插層對退火後Ta/ NiFe/Ta 結構與AMR的影響 34
2.9.2不同元素的參雜對於Ta/ NiFe/Ta AMR的影響 42
2.9.3底層表面粗糙度對Ta/NiFe/Ta AMR的影響 43
第三章 實驗流程與方法 45
3.1 實驗流程 45
3.2 實驗製備及參數 46
3.2.1 實驗材料 46
3.2.2基板清洗流程 46
3.2.3 濺鍍流程 47
3.3量測分析 49
3.3.1 膜厚分析 49
3.3.2 晶體結構分析 50
3.3.3 表面形貌分析 51
3.3.4 磁性量測 53
3.3.5 微結構分析 54
3.3.5.1 掃描式電子顯微鏡 54
3.3.5.2 穿透式電子顯微鏡 56
3.3.6 成份分析 57
3.3.7磁電阻量測技術 58
3.3.7.1 兩點接觸量測法 58
3.3.7.2 四點接觸量測法 60
第四章 實驗結果與討論 62
4.1 Ta/NiFe/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 63
4.1.1 Ta底層厚度效應對Ta/NiFe/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之影響 63
4.1.3 NiFe層之工作壓力對Ta/NiFe/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之影響 75
4.1.4 NiFe層厚度效應對Ta/NiFe/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之影響 81
4.1.5不同場退火溫度對Ta/NiFe/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之影響 86
4.1.6 Ta/NiFe/Ta薄膜經場250 oC場退火處理之結構、表面形貌及異向性磁阻之研究 91
4.1.7小結 105
4.2 Ta/Ni100-xCox/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 106
4.2.1 Ta/Ni100-xCox/Ta薄膜(x=20-75)結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 106
4.2.2不同場退火溫度對Ta/Ni80Co20/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 112
4.2.3 Ni80Co20層厚度效應對Ta/Ni80Co20/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 117
4.2.4場退火250oC對不同Ni80Co20厚度之Ta/Ni80Co20/Ta薄膜結構、表面形貌及異向性磁阻之研究 124
4.2.5 場退火250oC對Ta/Ni100-xCox/Ta薄膜(x=20-75)結構、表面形貌及異向性磁阻之研究 131
4.2.6 小結 135
4.3 Ta/NiFeCo/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 136
4.3.1 Ta/Ni80Fe13Co7/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之影響 136
4.3.2 Ta/Ni73Fe13Co14/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性 及異向性磁阻之影響 147
4.3.3 Ta/Ni67Fe13Co20/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性 及異向性磁阻之影響 157
4.3.4 Ta/Ni59Fe13Co28/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性 及異向性磁阻之影響 167
4.3.5 Ni67Fe13Co20厚度效應對Ta/Ni67Fe13Co20/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性 及異向性磁阻之影響 177
4.3.6 小結 188
4.4 Ta/Pt/NiFeCo/Pt/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 189
第五章 結論 197
  1. Ta/NiFe/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 197
 2. Ta/Ni100-xCox/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 197
3. Ta/NiFeCo/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 198
4. Ta/Pt/NiFeCo/Pt/Ta薄膜結構、表面形貌、磁性及異向性磁阻之研究 …………………………………………………………………………………198
參考文獻 199
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電子全文 電子全文(網際網路公開日期:20210818)
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