2-1 樣品製備
2-1-1 Co/Ru/Co 系統
本實驗所使用的層間交換耦合 (Interlayer Exchanged Coupling, IEC) 結構為 Co/Ru/Co 三
明治結構以固定上下層磁化方向彼此正交。其中各層金屬厚度是由實驗中量測不同厚度的 情形下，擁有最明顯的面內方向鐵磁特性(1.2nm)與面外方向鐵磁特性(0.4nm)後所選擇的17。 製備方式為透過磁控濺射技術在10-6 帕的壓力下將金屬沉積在 Si/SiO2基板上，在沉積的過 程中外加一個平面磁場，來誘導樣品的磁易軸方向與材料的形狀異向性方向相同。並且在此 疊層上下各覆蓋一層Pt 保護磁性層不被氧化，然後再用紫外光光刻和氬離子蝕刻的方式將 疊層圖案化。
圖1 Co/Ru/Co 系統樣品示意圖與光學顯微鏡圖 2-1-2 MoS2製程
先將SiO2基板、MoO3、硫粉分別放在石英管內的不同區域，架構示意圖如圖2。實驗
20μm Ru(1.4nm)
Co(1.2nm) Pt(5.0nm)
Pt(5.0nm) Co(0.4nm)
Substrate Si/SiO2
Cu/Au
子不對基板造成太大的影響。由於MoO3的熔點為攝氏795 度，因此第一步驟為加溫到攝氏 800 度，令硫粉與 MoO3昇華為氣態，並且在頂溫攝氏800 度停留三十分鐘。使氣態硫與氣
態 MoO3有足夠的時間進行反應，並沉積在 SiO2基板上 22。這種透過化學反應生長材料的 方法被通稱為化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 。
圖2 化學氣相沉積裝置示意圖 2-1-3 Co/MoS2系統
本研究使用的二維材料系統結構為Co/MoS2，是先在SiO2基板上生長 MoS2，再將單層 的MoS2樣品放進超高真空系統內，然後在10-8 torr 的壓力之下開啟分子渦輪幫浦，將氣體 快速的排出，並用加熱帶纏繞整個腔體在用鋁箔紙包覆，使得抽氣過程中可以加熱腔體，讓 真空腔內壁的氣體分子脫落，最後再使用電子槍將電子束打在靶材上加熱Co 以此進行鍍膜，
將Co 沉積在 MoS2樣品上。這種透過物理方式加溫不經過任何化學反應的沉積方法通稱為 物理氣相沉積法 (Physical Vapor Deposition, PVD) 。
2-2 層間交換耦合(Interlayer Exchanged Coupling)
IEC 的效應是源自於 Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida （RKKY） 四人所提出的交互作 用理論與自旋電子穿隧效應，是在兩層鐵磁性層中間夾雜一層非磁性層的三明治結構，透過 兩個磁性層的傳導電子與非磁性層中的d 軌域電子或 f 軌域電子交互作用，使磁性層的磁化 強度相互耦合。這種耦合隨著間隔層的厚度變化，呈現一個震盪曲線 23如圖 3。圖 4 是由 Lanping Yue 團隊在 2009 年於 ScienceDirect 發表的文章24中擷取而出，圖中可見Co/Ru/Co 系統中使用不同厚度的Ru 層在磁力顯微鏡(MFM)下的圖也可看出明顯的區別。本實驗所使 用的Co/Ru/Co 厚度參數則是經由多種不同厚度比較 17，量測面內與面外的磁光柯爾訊號，
反映出最為明顯的鐵磁性以及相對而言雜訊最小的厚度。
圖3 耦合係數具有阻尼震盪的特性，並隨間隔層厚度而改變
圖4 Co/Ru/Co 系統中固定磁性層厚度改變間隔層厚度層對磁疇改變的磁力顯 微鏡圖24
2-3 拉蓋爾-高斯（Laguerre-Gaussian）光束
由馬克斯威方程式可以知道，光是一種帶有動量與能量的電磁波。其中包含了由偏振性 決定的SAM 以及光場空間分布決定的 OAM。帶有 SAM 的光，別稱為偏振光，其自旋角動 量σ 的大小在正負 1 之間。那麼帶有 OAM 的光呢？LG 光束是人們最早實現的 OAM 的光，
其相位e−ilθ與方位角有關，波前是纏繞數為l 的螺旋波前，而 LG 光束並非唯一具有螺旋波 前的光，其他相同具有OAM 的光，如貝索光束 (Bessel beam) 、馬修光束 (Mathieu-Gauss beam) 、恩斯高斯光束 (Ince-Gaussian Beam) 等等也同樣具有螺旋波前，因此也稱呼帶有 OAM 的光為螺旋光、渦旋光。在本實驗中，只使用到了 LG 光束，以下由理論分析 LG 光 束的特殊性所在。
圖5 (a)LG 光束的波前示意圖。(b)由上到下分別為 LG 光束光學顯微鏡圖、理 論模擬光強度圖、相位圖。
(b) 𝑙 = 0 𝑙 = 1 𝑙 = 2 𝑙 = 3 (a)
首先，LG 光束是高斯光束的一種變化，將高斯光束的電場公式如公式(1)
並且由電場梯度差異與金屬表面電子海交互作用21計算可得電流密度如公式(4)：
𝑗 = 𝑙𝒽
𝑚𝑒∗𝑟|𝜇(𝑟, Ø, 𝑧)|2 (4)
，其中將電子有效質量26代入本實驗所使用的Pt，並代入本實驗所使用的光功率 2.5mW 攜 帶軌道角動量量子數𝑙=+5，所得模擬電流密度𝑗如圖 7。
圖7 理論模擬光電流密度圖(繞中心環形電流)
-2 -1 0 1 2
0 2 4 6 8
-2 -1 0 1 2
0 2 4 6 8
Current density(1010 A/m2 )
Beam Width (arb. unit)
接著使用必歐-沙伐定律計算此模擬環電流引起的垂直材料表面磁場如公式(5)：
𝐵(𝑟, 𝑧) = 𝜇0𝐼(𝑟,𝑧)
2𝑟 = 𝜇0×2𝜋𝑟×𝐽(𝑟,𝑧)
2𝑟 = 𝜇0𝜋 × 𝐽(𝑟, 𝑧) (3) 模擬圖如圖8。
圖8 理論模擬磁場大小圖(面外方向)
由以上的理論模擬可以推測，LG 光束所產生的電流密度大小高達 8×1010A/m2，且電流 引起的磁場大小高達4 kOe 也就是 0.4 T，因此是相當有潛力在各方面應用的一種方式。
-2 -1 0 1 2
0 2 4
-2 -1 0 1 2
0 2 4
Magnetic field (kOe)
Beam Width (arb. unit)
2-4 磁光柯爾效應(Magneto-Optical Kerr Effect, MOKE)
對一磁性材料施加磁場時，其材料本身折射率會產生磁雙折射的現象，也就是左旋光與 右旋光的折射率有所不同，使得傳播速率不同產生相位差。這時照射一線偏振光源到此材料 時，其反射光的偏振態會由線偏振轉變為橢圓偏振，此時橢圓偏振光的長軸與線偏振光的夾 角稱為柯爾旋轉角θk (θk<<1∘) 、橢圓偏振光的橢圓率稱為柯爾橢圓率 ηk (ηk<<1∘) ，並且 與材料本身的磁化強度成正比。由入射光的偏振方向和光入射平面的方向定義平行入射平 面的偏振光為P 波、垂直入射平面的偏振光為 S 波。以入射光為 P 波情況下，反射光的 P
波與S 波的電場分量與 θk和ηk關係如公式(6)：
𝐸𝑠
𝐸𝑝 = θk+ 𝑖ηk (6) 所以量測𝐸𝑠⁄𝐸𝑝便可以得到柯爾訊號，實驗上會使用檢偏器並在其前方放置四分之一波 片，定義檢偏器轉到平行S 波方向角度為 0∘，在極小的偏轉角度 δ (δ≒0∘) 下，反射光強 度I 可以寫成公式(7)：
𝐼 = |𝐸𝑠sin δ + 𝐸𝑝cos δ|2 (7) 由於θk<<1∘，所以𝐸𝑠 ≪ 𝐸𝑝，將公式(6)代入公式(7)後，反射光強度 I 可以改寫為公式 (6)：
𝐼 ≒ 𝐸𝑝2|θk+ 𝑖ηk+ δ|2 ≒ |𝐸𝑝|2(δ2+ 2δθk) (8) 所以原入射光強度I0可寫成公式(9)
𝐼0 ≒ 𝐸𝑝2sin2δ ≒ 𝐸𝑝2δ2 (9)
再將公式(9)代入公式(8)後可以計算得出反射光強度變化公式如公式(10)
∆𝐼 = 𝐼 − 𝐼0 = 𝐼0(1 +2θk
δ ) − 𝐼0 = 𝐼0(2θk
δ ) (10) 從公式(10)可以知道反射光強度的變化正比於 θk。所以本研究中所使用的磁光柯爾顯微 鏡其最大的特色就是可以快速、直接地觀察到相對的磁化強度大小變化。圖9 是磁光柯爾顯 微鏡下量測所看到的圖形，由圖 9(A)與圖 9(B)的顏色深淺可以知道此時相對磁化強度大小 的不同，由一連串的圖形紀錄，可以由灰階強度大小做圖來畫出磁滯曲線。
圖9 施加正場(A)、負場(B)時的磁光柯爾顯微鏡圖。
依照入射面與材料本身磁化方向的關係，可以將 MOKE 分為三種類型如表 1。其中，
橫向磁光柯爾效應不會改變光的偏振態，因此在研究中所量測面內方向磁滯曲線與面外方 向磁滯曲線分別是使用縱向磁光柯爾效應與極向磁光柯爾效應。
100μm 100μm
(A) (B)
類型 示意圖 說明
縱向磁光柯爾效應
(Longitudinal MOKE, LMOKE)
材料表面磁矩方 向與材料表面與
入射面平行
橫向磁光柯爾效應
(Transversal MOKE, TMOKE)
材料表面磁矩方 向與材料表面平 行但與入射面垂
直
極向磁光柯爾效應
(Polar MOKE, PMOKE)
材料表面磁矩方 向與材料表面垂
直
表1 磁光柯爾效應類型關係圖
2-5 磁性材料
磁性源自於原子的磁矩，而材料的磁性則是由磁矩的排列或電子軌道磁矩、電子自旋磁 矩和原子核磁矩三種交互作用力影響而成，而依照不同電子軌域排列方式而可以將磁性分 為以下幾種種類27如表2：
磁性種類 順磁性 反磁性 鐵磁性 反鐵磁性 陶鐵磁性
磁矩方向
表2 磁性材料分類圖
在本篇研究中以鐵磁性材料作為研究。
2-5-1 鐵磁性材料
鐵磁性的產生是由於原子間偶極矩間的強耦合作用，使相鄰的兩個磁矩會指向同一個 方向，依此形成在同一區域的原子磁矩朝向同一方向而形成磁疇 (Domain) 。最常見的鐵磁 性材料為鐵 （Fe） 、鈷 （Co） 、鎳 （Ni） ，其特徵為在沒有外加任何磁場的情況下，
也能夠保有特定的磁化強度。微觀來看，在無外加磁場的情況下，可以看到材料本身有許多 的Domain，在施加外場後使磁疇壁 (Domain Wall) 移動，當外加磁場大到令材料本身的多 重Domain 變成單一 Domain 時，此時的磁化強度稱為飽和磁化強度。在緩慢地減去外場後，
可以看到 Domain Wall 緩慢地恢復，在外場歸零時的磁化強度，稱為殘磁 (Remanence) 。 並且繼續施加反向的磁場直至磁化強度降低為零的時候，此時的外加磁場強度被稱為矯頑 力 (Coercivity) 。將施加外加場以及磁化強度作圖之後的表稱為磁滯曲線 (Hysteresis Loop) 。此曲線即為鐵磁性材料重要的特徵之一。並且在將材料升溫時，因為熱擾動的關係，
H=0 → H H=0 → H H=0 H=0 H=0
使得材料內部原子排序變得混亂。當溫度繼續升高，直至彼此的熱擾動大於耦合能時，此時 的溫度被稱為居禮溫度 (Curie temperature) ，其磁性會轉換為順磁性材料。
2-5-2 磁各向異性(Magnetic Anisotropy, MA)
MA 指的是在鐵磁性材料中，電子間耦合作用力因材料特性的影響，有其所偏好排列的
方向，此方向上的磁矩磁化方向偏轉的所需能量最小的即為磁易軸，反之則叫做磁難軸。而 促使此現象發生的能量稱為磁異向能。MA 一般可以分為四類27,28如表3。
形狀各向異性 磁晶各向異性 應力各向異性 交換各向異性
表3 磁各向異性分類圖
1. 形狀各向異性：考慮一個多晶材料，其晶粒沒有特定的取向，若為球形，則使用相同 磁場於任意方向時，材料的磁化強度皆會相同，若非球型，經計算後可以發現長軸方 向會比短軸方向易於磁化。形狀各向異性常數𝐾s =1
2𝜇0∆𝑁M2，其中∆𝑁為長軸與短軸的 去磁係數差。形狀各向異性能𝐸s = 𝐾s𝑠𝑖𝑛2θ。
2. 磁晶各向異性：在單晶材料中，因原子排列具對稱性，所以原子會均勻受到相鄰原子 的影響，使磁化方向相互影響後會指向相同的方向。計算磁晶各向異性能E = 𝐾0+ 𝐾1(𝛼12𝛼22+ 𝛼22𝛼32+ 𝛼32𝛼12) + 𝐾2(𝛼12𝛼22𝛼32) + ⋯，其中𝐾0、𝐾1、𝐾2為特定材料在特定溫度 下的常數，α1、α2、α3為受力方向和x、y、z 軸方向的餘弦，磁矩會傾向於朝向能量 最低的方向。
以立方堆積為例，原子會均勻受到來自[1,0,0]方向、[1,1,0]方向、[1,1,1]方向的 力。在[1,0,0]方向，α1=1、α2 = 0、α3 = 0，各向異性能E1,0,0= 𝐾0，在[1,1,0]方向，
鐵磁
反鐵磁
α1=1
√2、α2 = 1
√2、α3 = 0，各向異性能E1,1,0= 𝐾0+1
4𝐾1，在[1,1,1]方向，α1=1
√3、α2 =
1
√3、α3 = 1
√3，各向異性能E1,1,1= 𝐾0+1
3𝐾1+ 1
27𝐾2，其中因𝐾0與角度無關而只與材料 有關聯，所以通常忽略𝐾0這項係數。
3. 應力各向異性：在對軟磁性材料施加一外加磁場時，材料的形狀、大小會產生改變，形
3. 應力各向異性：在對軟磁性材料施加一外加磁場時，材料的形狀、大小會產生改變，形