3-1 磁光柯爾顯微鏡(Magneto Optical Kerr Microscope)
磁光柯爾顯微鏡，顧名思義為前述之磁光柯爾效應在磁性量測方面的應 用，整座儀器大致上由LED 四向光源、起偏鏡、檢偏鏡、光接收器、顯微鏡頭 以及可調整XY 軸水平距離與旋轉平面角度的樣品載台組成(如圖 3-1-1)。設置 上，我們將樣品放置在位於電磁鐵中心的活動平台上(如圖 3-1-3)，當進行磁性 測量時，LED 光透過線偏振片和顯微鏡照射於樣品表面，反射後經過檢偏鏡至 上方的接收器。
圖3-1-1 磁光柯爾顯微鏡儀器
Light source CCD sensor
Sample
Light path Analyzer
Polarizer
Electro magnet
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磁光柯爾顯微鏡與常見的 MOKE 磁光量測系統最大的不同在其對於微觀 磁區的解析度，一般使用的MOKE 系統之極限取決於雷射光源聚焦於樣品表 面之光點尺寸大小，若是想要探究範圍小於光點尺寸的微觀磁區將會變得十 分困難。然而磁光柯爾顯微鏡是透過高倍率鏡頭成像，因此可以細部觀察目 標範圍內的樣品表面微觀磁區，尺度甚至可以小到近奈米等級，而且藉由程 式運算，我們還能圈選欲指定的樣品區域與其他區域做磁滯曲線差異比對等 分析(如圖 3-1-2)，在磁性量測與應用方面，磁光柯爾顯微鏡比起傳統的 MOKE 系統靈活方便許多。
若是樣品具有磁性特徵，線偏振光的左旋與右旋相位將會產生差異，導 致反射出的光線轉變成橢圓偏振光，我們可以改變外加磁場並同時觀察橢圓 偏振光長軸與線偏振軸夾角差異(柯爾旋轉角)造成的光訊號強度變化，用以 判讀此樣品在外加磁場變化下的磁性特質。
圖3-1-2 磁滯曲線差異比對[10]
13 圖3-1-4 垂直磁場電磁鐵座台
本圖為磁光柯爾顯微鏡之垂直場電磁鐵，圖中紅銅色部位即電磁鐵，樣品載台的位置在電 磁鐵中心銀色部分正上方，頂部兩片半圓形遮罩是為了防止磁場散失而設計，其中央孔洞 的用途則是方便顯微鏡接近樣品。
圖3-1-3 磁光柯爾顯微鏡水平磁場量測示範
Sample Electro magnet
Microscope Light path
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15 境溫度為300K、壓力為 1mbar，且假設所有碰撞的分子皆附著在樣品表面，則 對於一片10 × 10(𝑚𝑚2)的基板而言，氮氣分子在樣品上的平均沉積速率大約為
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實驗操作上，我們將以乙醇震洗過的基板放入腔體，並使用機械幫浦持續 地進行抽氣動作，約莫能將腔體環境維持在壓力10−3 torr 的數量級左右，當氣 壓逐漸穩定後再開啟分子渦輪幫浦，並設定轉速為1500 Hz，以期能更加有力 快速地排出氣體。在真空腔抽氣的過程中，內部管壁的表面會不斷釋放先前在 大氣下吸附的氣體分子，故需要以加熱帶纏繞整個腔體並使用鋁箔紙嚴密包 覆，如此一來就能在抽氣過程中加熱腔體，令真空腔內壁的水氣、氣體等分子 脫附，且由於加熱中的腔體較不易遭分子附著，故實驗所需的蒸鍍槍也會在此 階段進行預鍍的動作，以避免預鍍清出的雜質殘留於真空腔管壁導致影響實驗 數據的結果。
一般情況下，本實驗室的腔體在經過加熱程序且冷卻之後都能達到超高真 空，如本實驗所使用的真空腔，壓力便可達9× 10−9 torr。
以下為本實驗所使用的超高真空儀器：
圖3-2-1 超高真空儀器圖
Vacuum gauge
Power supplier
Turbo pump
Transfer rod
Electron beam evaporation
Sample site
17 圖3-2-2 分子渦輪幫浦
圖3-2-3 機械幫浦
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3-3 電子束蒸鍍系統 (Electron beam evaporation)
實驗室常見的鍍膜方法有物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，縮寫 為PVD）與化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，縮寫為 CVD）等方 式，而電子束蒸鍍屬於物理氣相沉積的一種，其以靶材端裝置導通高壓電的方 式可從周遭燈絲吸引高能量游離電子束轟擊自身並且藉此將電子束動能轉換為 升溫靶材的熱能，並利用靶材接近熔點時的飽和蒸汽壓進行鍍膜。
實驗室的電子束蒸鍍設備依加熱方式差異可分為槍型及坩鍋型兩種，兩者 的差異在於直接與間接加熱靶材，結構上亦因此有所不同：槍型裝置是將長條 狀靶材固定於可精密微調Z 軸高度之座台上，藉由導通高壓電於靶材本身的方 式吸引高能量游離電子束轟擊靶材頂端導致靶材急速升溫並汽化，以此進行薄 膜沉積的動作，透過微調靶材Z 軸(如圖 3-3-1)高度以及控制輸入電流數值，我 們可以大致上量化且控制薄膜沉積的速率；而坩鍋型裝置則是將靶材預先放置 於固定好的坩鍋內，並導通高壓電於坩鍋上，如此一來高能量游離電子束將會 轟擊坩鍋表面，熱能再由坩鍋傳導至靶材使其升溫汽化(如圖 3-3-2)，以此進行 薄膜沉積的動作，我們以調整輸入電流的方式控制鍍率。
圖3-3-1 槍型電子束蒸鍍示意圖
槍型電子束蒸鍍是藉由導通高壓於棒狀靶材以吸引來自燈絲的電子，轟擊頂端的 同時迅速加熱自身達到熔點並釋出分子流，用以進行薄膜沉積的動作。
z-axis
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圖3-3-3 坩鍋型電子束蒸鍍儀器圖 (相對圖 3-2-2 的俯視角度) Crucible
Filament
圖3-3-2 坩鍋型電子束蒸鍍概念圖
坩堝型電子束蒸鍍則是導通高壓於坩堝端吸引來自燈絲的電子，當電子轟擊坩堝時 以其動能加熱整個容器，達到熔點後釋出分子流以進行薄膜沉積。
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通常情況下，槍型電子束蒸鍍適用於棒狀的長型靶材，坩堝型則適用於塊 狀或粉末狀的小體積材料，基於升溫方式的差別，僅加熱靶材頂端的槍型電子 束蒸鍍理論上在薄膜沉積速率方面將會低於加熱整個靶材空間的坩鍋型電子束 蒸鍍，故槍型電子束蒸鍍相對較適合低鍍率的薄膜沉積需求；然而槍型電子束 蒸鍍的使用上會持續地消耗靶材前端，所以十分要求靶材的筆直與均勻程度，
否則在調整Z 軸以推進靶材的操作上會造成極大的誤差。電子束蒸鍍法除了有 很好的熱轉換效率外，蒸鍍速率亦能精準控制，靶材種類選擇的限制較少，除 部分化合物及合金外，多數材料皆能蒸鍍。
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3-4 化學氣相沉積系統(Chemical Vapor Deposition)
化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，縮寫為 CVD）則是在穩定的低
常壓式化學氣相沉積 (Atmospheric-pressure CVD，縮寫為 APCVD)，意指反應 時腔體壓力接近一大氣壓的化學沉積製程，此種類型的CVD 對於腔體、設備等 要求較低，是最容易達成環境條件的一種。
低壓式化學氣相沉積 (Low-pressure CVD，縮寫為 LPCVD)，指反應過程皆於低 壓環境下的化學沉積製程，降低環境壓力能減少額外發生的化學反應，故能有 效地抑制副產物的出現，此種方式可以大幅提升薄膜產物的品質，現今工業常 用的CVD 製程大多是 LPCVD。
超高真空式化學氣相沉積 (Ultrahigh Vacuum CVD，縮寫為 UHVCVD，指化學 反應腔的氣壓維持在高度真空以上的化學沉積製程，其氣壓環境約10-8 torr 左
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而本研究所使用的設備依上述分類為常壓式化學氣相沉積，簡易的構成是由 石英管、高溫爐、加熱帶以及氣體管線所組成 (如圖 3-4-1)，圖中高溫爐升溫裝 置具有調節加熱梯度、設定頂溫維持時間的功能，三組線圈的設定功能各自獨 立。然而就算僅加熱中央的區塊，其餘兩區塊仍然會被影響不少。
以初期二硫化鉬製程為例，中央區塊的頂溫設置為高於三氧化鉬鍍源熔點 (795∘C)的 800∘C，而在接近頂溫時兩側的區塊受熱對流影響升溫至攝氏 500 度左 右，在此情況下硫粉早已因其低熔點的特性(約攝氏 115 度)蒸散流失了，也因此 無法成長出所需的薄膜。
於是我們在石英管突出高溫爐的部分纏上加熱帶並以鋁箔紙包覆，作為硫 粉坩堝的放置處，待反應腔溫度即將到達三氧化鉬的熔點(795∘C)時輸入固定電 流加熱硫粉，如此便能夠在三氧化鉬分子受熱升起時導以氣態硫，成功製備出 二硫化鉬薄膜。詳細的內容將在後段實驗製備的章節提及。
圖3-4-1 化學氣相沉積儀器
Heating coil
Heating tape Quartz tube
Ar gas flow
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3-5 拉曼光譜量測系統(Raman spectrometer)
當入射光照射樣品時，入射光子將與樣品表層的電子雲、化學鍵結等電子 結構產生交互作用並發生非彈性散射，導致散射出的光子能量變化的結果，此 現象即為拉曼散射，其作用的深度取決於入射光強度、樣品本身的性質等等。拉 曼散射深受樣品晶格結構和分子鍵結中電子的振動、旋轉模式影響，而拉曼光 譜量測正是以此特性來鑑別樣品的分子組成，化學鍵結等性質。
拉曼效應發生時，入射光將分子結構中的電子激發到虛能階(virtual energy states)，隨後虛能階電子立即躍遷回低振動態能階並放出光子，即散射光。而當 虛能階電子返回的振動能階為基態時，此散射光的頻率、能量皆等於入射光，改 稱為瑞利散射；若電子的最終能階比基態高，其散射光具有較低的頻率，此頻率 的變化稱為Stokes Raman shift，是為拉曼散射；而若電子原先的能階非基態，
且最終能階比原能階低，其散射光將具有較高的頻率，此頻率的變化則被稱為 Anti-Stokes Raman shift，亦為拉曼散射。(如圖 3-5-1)
圖3-5-1 拉曼效應的能階示意圖[3]
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本系統具有 532 nm 的綠光雷射與 785 nm 的紅光雷射兩種光源，可以依樣 品的需求選擇光源，光點尺寸約1μm；樣品載台以壓電材料控制，具有定量化 的三維移動功能，其最小移動單位為0.5μm，能夠細緻地調整雷射光點在樣品 上的位置。從樣品反射而來的光線會先經過帶阻濾波器(notch filter)，去除彈性 散射的光線，而剩餘的非彈性拉曼散射光則會通過精密的光柵分光後進入光譜 儀，最後呈現樣品特徵峰的數據。量測模式上，本系統具有三種模式，分別為單 次量測、連續量測以及掃描式量測，一般情況下大多使用單次量測；而在需要對 光路作改動或調整的即時性實驗中，利用連續量測模式能夠直接確認效果；至 於掃描式量測能夠在畫面中自行分割出方格陣列，設定好條件後自動逐一量測
本系統具有 532 nm 的綠光雷射與 785 nm 的紅光雷射兩種光源，可以依樣 品的需求選擇光源，光點尺寸約1μm；樣品載台以壓電材料控制，具有定量化 的三維移動功能，其最小移動單位為0.5μm，能夠細緻地調整雷射光點在樣品 上的位置。從樣品反射而來的光線會先經過帶阻濾波器(notch filter)，去除彈性 散射的光線，而剩餘的非彈性拉曼散射光則會通過精密的光柵分光後進入光譜 儀，最後呈現樣品特徵峰的數據。量測模式上，本系統具有三種模式，分別為單 次量測、連續量測以及掃描式量測，一般情況下大多使用單次量測；而在需要對 光路作改動或調整的即時性實驗中，利用連續量測模式能夠直接確認效果；至 於掃描式量測能夠在畫面中自行分割出方格陣列，設定好條件後自動逐一量測