低維度鎳線的相關研究背景

鎳的磁性行為受其自身材料特性影響，在不同的外界溫度、外加磁場，或 鎳線的尺寸、形狀，以及不同的樣品製作方式下，展現出不同的磁性暫態及磁 性行為。即使材料成分單純，針對鎳微米線特性的研究成果展現卻非常多元。

對於研究單一鐵磁性材料奈米線的磁性行為，量測其磁電阻為已確知的有 效方法。1999 年 J-E. Wegrowe 等人[5]量測線徑 D＝60 nm，線長 L＝6000 nm，

在多孔薄膜成長之多晶結構（Polycrystalline）的單一鎳及鈷奈米線在室溫下之 磁電阻曲線，外加磁場和樣品線長軸夾角分別為 15°及 45°（圖 2.7）。曲線分為 由正負兩方向高磁場掃往零磁場過程的可逆過程（Reversible part）及零磁場附 近之不可逆過程（Irreversible part）。可逆部分曲線中實線為磁矩以 Curling 形 式翻轉模型所做的理論預測，與量測所得非常接近，觀察出鎳奈米線的翻轉形 式屬於 Curling rotation。圖中內插部分為外加磁場和樣品線長軸夾角 15°之不可 逆過程曲線放大圖；其在殘磁態時之電阻趨近於最大值，以異向性磁阻效應描 述，代表其磁易軸（Easy axis）平行線之長軸。而對稱於殘磁態兩端有兩個下 垂的針尖，在針尖尾端電阻值有一斜率為無窮大之變化，代表樣品線內的磁矩 做了瞬間翻轉使電阻值瞬間改變，此為單一磁區的典型特性。

圖 2.7 直徑 60 nm，線長 6000 nm 之鎳線在室溫下之磁電阻曲線，外加磁場與 樣品線夾角分別為＝15°及＝45°；實線為 Curling rotation 之模型預測，點狀 部分為量測所得電阻值。內插圖為＝15°時磁電阻曲線中央的放大圖形[5]。

針對線徑 D＝30 nm 和 200 nm 之單一鎳奈米線 [25]，Y Rheem 等人利用磁 電阻量測對其做磁性傳輸研究，指出鎳奈米線的磁矩翻轉機制在 T＝10 K 時為 Curling rotation。鎳奈米線磁性傳輸行為與磁性薄膜相似；僅於 D 很小時，奈 米線之平行方向磁阻（Longitudinal magnetoresistance，LMR）與垂直方向磁阻

（Transverse magnetoresistance，TMR）與磁性薄膜之電阻值不同。同樣的情形 在線長 L＝1 µm，厚度 t＝35 nm，線寬 w 介於 50~500 nm 間之鎳平板線的磁電 阻量測也被觀察出；而 Y Rheem 等人的研究表示，這樣的差異可能來自於溫度 變化時，鎳奈米線與矽基板因熱膨脹係數不同發生的晶格錯位所造成。

對於鎳薄膜表面的磁彈性耦合現象（Magnetoelastic coupling）早有研究發 現其磁彈性耦合係數（Magnetoelastic coupling coefficients，B^eff） 中含有兩個 不同的項：與膜厚無關的塊材項（Bulk term，B^b）以及與膜厚有關的表面項

electron microscopy，TEM）掃描鎳鐵合金和鎳薄膜的磁性微結構[26]，發現材 料表面之磁彈性耦合現象與薄膜表面的不連續或其組織的改變無關。

上述的研究成果當中，無論以何種方法探討低維度之鎳線，皆透露了其磁 易軸傾向平行於線長軸的特性；事實上針對鎳的磁易軸方向的研究，有許多成 果都展現出非常有趣的現象。1998 年的研究中，針對在 InP（001）基板上以 2 Å /s 之鍍率蒸鍍的鎳線陣列（~10⁴條），線與線間距為 200 nm 的樣品分別在 T＝5 K 及 T＝300 K 量測其平行線軸（∥）與垂直線軸（⊥）的遲滯曲線如圖 2.8 [11]。由圖 2.8 觀察出，鎳微米線在室溫（T＝300 K）下，其在平行線軸時 之殘磁態磁矩有最大值，且矯頑場（Coercive field, Hc＝H（M/Ms＝0））較垂直 線軸方向的矯頑場來的大，表示其磁易軸（Easy axis）平行鎳線長軸；而在低 溫（T＝5 K）下，情況剛好相反，在垂直線軸的方向上有較大的殘磁磁矩，且 期矯頑場遠大於平行線軸方向，表示在低溫時其磁易軸垂直鎳線長軸。其中的 原因推論可能為鎳線和 InP 基板因熱膨脹而產生的晶格錯位所致。2001 年，針 對電化學沉積所製做的側剖面為鑽石形之鎳長直線（D=120 nm, L=5 m），其磁 易軸之方向亦與溫度相關，在 80 K  T  300 K 時之磁易軸平行鎳樣品線長軸 [9]；這樣的成果引發許多研究更直接地由能量觀點切入探討小尺寸鎳線的磁性 行為。

圖 2.8 線寬為 70nm 的鎳線在 T=5 K（左）和 T=300 K（右）之外加磁場方向 平行線軸（∥）與垂直線軸（⊥）的遲滯曲線[11]。

Magnetic Field（mT） Magnetic Field（mT）

M/Ms

2010 年，J G S Duque 等人明確指出次微米級鎳線樣品，其易軸軸向和溫 度有關[12]。圖 2.9 為其微影及濺鍍技術製作的鎳線陣列，鎳線厚度為 300 Å ， 線寬為 0.7 μm，線與線間隔 700 nm，總面積為 1 cm²之樣品在不同溫度下，外 加磁場方向為平行長軸的遲滯曲線；圖中每個溫度的遲滯曲線在殘磁態的磁矩 大小隨溫度下降而減少，表示磁矩平行線軸分量減少，磁易軸方向偏離線長軸。

明顯說明了鎳線的磁易軸和溫度有關。然而鎳鐵合金（Permalloy）並沒有相同 情形，其磁易軸在 2 K＜T＜300 K 皆為長軸。

圖 2.9 鎳在各溫度下的遲滯曲線，顯現出磁易軸隨溫度改變的現象[12]。

2000 年，S. Dubois 等人量測存在於多碳孔洞的鎳陣列之遲滯曲線，及其 X 光繞射圖形（X-Ray diffraction，XRD），發現在室溫時主導能量項為形狀異向 性能，而低溫時於鎳線長軸方向有很強的磁致伸縮（Magnetostrictive）效應產 生磁彈性能；相同的結果可見於 2008 年，對其做 FMR（Ferromagnetic resonance）

量測，發現鎳與多碳孔洞模板在溫度變化時發生晶格錯位（Lattice mismatch）

而在 4.3 K  T  300 K 時皆產生磁彈性異向能[10]；少部分的鎳線磁彈性能甚至 可與形狀異向性能競爭。

有鑒於低維度鎳線的磁性行為研究如此多元，本實驗將以磁電阻量測的方