磁性的來源為電子中的自旋(spin)或軌道角動量(orbital angular moment)，兩 者皆有其對應的磁矩(magnetic dipole moment)
μ
S和μ
orb，磁矩在材料中的意義就 像是一小塊提供磁性的磁鐵，為材料磁性的來源，用來表示磁矩大小的最小單位 為波爾磁子μ
B(Bohr magneton)。依照材料磁性的不同，可將磁性分成以下四類，反磁性(diamagnetism)、順磁性(paramagnetism)、鐵磁性(ferromagnetism)及反鐵磁 性(antiferromagnetism)。
一、反磁性
反磁性出現於一般的材料中，由於材料內部原子在兩個相反方向上的磁矩互 相抵消，因此單個原子上的淨磁矩為零，整體來看材料內部的淨磁矩也為零，當 外加磁場施加於材料時，材料會產生反向的弱磁矩(產生反向磁場)，其磁性大小 與順磁性或鐵磁性比較起來小很多，且當外加磁場移除時，反向的磁場也會相應 消失。[39]
二、順磁性
順磁性材料內的原子淨磁矩不為零，其各自擁有永久的磁矩，在沒有外加磁 場的狀況下，各個原子磁矩的排列方向是隨機的，整體來看材料沒有淨磁矩，當 有外加磁場時，所有原子的淨磁矩都會順著外加磁場方向排列，因此產生與外加 磁場同方向的磁場，當外加磁場移除時，原子的磁矩又會回到隨機排列的狀況，
感應出的磁場也隨之消失。若以 M(magnetization)表示順磁性材料在外加磁場 Bext
下所感應出的磁化強度(單位體積上的磁矩大小)，則有下列關係：
χ = M Bext = C
T
其中 C 為居里常數(Curie’s constant)，χ 為磁化率(magnetic susceptibility)，T 為凱 式溫度，此式為居里定律(Curie’s law)。溫度高時擾動較多，淨磁矩較小。[39]
三、鐵磁性
鐵磁性材料內的原子淨磁矩不為零，在施以外加磁場時，其內部原子磁矩會 順著外加磁場的方向排列，與順磁性類似，但在外加磁場移除時，其磁性仍會保 留，不像順磁性會馬上消失，若要再使材料淨磁矩為零，則需一反向磁場，此為 鐵磁性材料的磁滯現象。鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)這些元素或是其和其它元素的 混合物所表現的磁性就是鐵磁性。鐵磁性是來自交換耦合(exchange coupling)的 量子效應，在鐵磁性材料中，這種效應使原子內之電子自旋與鄰近的原子交互作 用，使得原子的磁偶極矩排列會順著同一個方向，克服因為原子之間碰撞而造成 磁矩弄亂排列的趨勢，磁矩整齊排列的結果就是使得鐵磁性材料具有永久磁性 [39]。另外鐵磁性材料的溫度若高於某個臨界溫度─居里溫度(Curie temperature) 時，其交換耦合的效應就會消失，使得大部份材料的鐵磁性轉為順磁性，此時熱 擾動可以輕易打亂原子磁矩的排列，由居里-韋斯定律(Curie-Weiss law)可知：
χ = 𝐶 𝑇 − 𝑇𝐶
其中χ 為磁化率，C 為居里常數，T 為凱氏溫度，TC為居里溫度，此式表示材料 溫度高於居里溫度時，其磁化率隨溫度的變化關係。[40]
若以外加磁場為橫軸，材料感應磁場為縱軸作圖，則可得到磁滯曲線如圖 2-19：
磁滯曲線的解釋為求簡潔易讀，因此以列點 方式說明：
1.材料無感應磁場時，對應到圖中的 o 點。
2.逐漸增加外加磁場 H，感應磁場 M 增加至 飽和磁化強度 MS，繪出 o→a 的曲線。
3.減少 H 的值至零，M 隨之減少至殘磁 Mr(remanence)，繪出 a→b 的曲線。
4.施加負向的 H 至矯頑力 HC(coercivity)，使 M 減至零，繪出 b→c 的曲線。
5.繼續增大負向 H，使 M 加至-MS，接著再增加 H 又接回 a 點，如此循環。
四、反鐵磁性
反鐵磁性材料原子之電子自旋與鄰近的原子交換耦合交互作用，使得相鄰原 子之間的電子自旋傾向於反向排列，且自旋向上與自旋向下的電子所貢獻的磁矩 相同。反鐵磁材料結構經常是由兩個自旋相反的次晶格(sublattice)構成，示意圖 如圖 2-20。當材料溫度高於某個臨界溫度─尼爾溫度(Neel temperature)時，其交 換耦合的效應就會消失，使得反鐵磁性轉為順磁性，此時熱擾動可以輕易打亂原 子磁矩的排列。在尼爾溫度之上的磁化率以下式表示：
χ = 𝐶′ 𝑇 + 𝑇𝑁
其中χ 為磁化率，C’為常數，T 為凱氏溫度，TN為尼爾溫度。
圖 2-20 反鐵磁材料常見晶格結構示意圖。由自旋方向相反的兩個次晶格組成。[22]
圖 2-19 磁滯曲線圖[41]
在材料溫度 T=0K 時，自旋向上與自旋向下的電子所貢獻的磁矩大小皆等於 飽和磁矩，因此施以平行磁矩方向的微小外加磁場時對淨磁矩不會有貢獻，此時 磁化率χ∥= 0。若施以垂直於材料磁矩方向的微小外加磁場，則材料中兩個相反 方向的磁矩在外加磁場方向會產生微小淨磁矩，此時磁化率χ⊥≠0，示意圖如圖 2-21。若固定微小外加磁場強度，隨著溫度上升至 TN，材料磁化率χ⊥將會維持 定值，χ∥則持續上升至與χ⊥等值，示意圖如圖 2-22。[22]
整體來說，材料的磁化率χ 可以下式統整：
χ ∝ 1 𝑇 − 𝜃 若θ=0，則材料為順磁體。
若θ> 0，則材料為鐵磁體且 θ = TC (材料溫度大於 TC時)。
若θ< 0，則材料為反鐵磁體且 θ = -TN (材料溫度大於 TN時)。
圖 2-21 外加垂直於材料磁化強度方向 的微小磁場，將提供微小淨磁矩。[22]
圖 2-22 對反鐵磁材料施以平行或垂直材料磁化強 度方向的微小磁場，其磁化率對溫度關係。[22]
Chapter3 實驗過程
3.1 鍍膜條件
本論文探討的氧化釓鋅薄膜是用脈衝雷射蒸鍍法(PLD)製備，待薄膜製成後 再量測其結構、光、電與磁的特性。薄膜的物理特性會受到薄膜製備條件的影響，
而製備條件有許多變因，例如：靶材與基板間的距離、基板溫度、鍍膜時間、靶 材上單位面積雷射能量、鍍膜及降溫時的腔體真空度、鍍膜時的氧氣流量、氧壓、
摻雜物濃度、靶材緻密及純度、基板與欲鍍薄膜的晶格不匹配度…等。我們選擇 c 平面的單晶藍寶石作為基板，大小是 5×5mm2，鍍膜實驗參數整理如表 3-1。
固定變因 控制變因
基板到靶材距離 5cm 鍍膜時的氧壓 8.0×10-2、3.0×10-1mbar 基板溫度 700℃ 摻雜物(Gd)濃度 0~20 at.%
薄膜厚度 150nm 雷射能量密度 2.6 J/cm2
背景壓力 ≦8.0×10-7mbar 降溫期間真空度 約 1.0×10-6mbar 氧氣流量 3sccm
表 3-1 鍍膜實驗參數整理表
3.2 靶材製備
我們使用純度為 99.999%的氧化鋅(ZnO)及 99.999%的氧化釓(Gd2O3)粉末進行靶 材製備，流程如下：
1.計算好特定摻雜比例所需添加的氧化鋅及氧化釓粉末克數。
2.秤藥纸放至電子秤上歸零，加入算好的氧化鋅及氧化釓粉末克數。
3.用缽將秤好的粉末均勻混合。
4.將混合後的粉末倒入模具中。
5.以油壓機將粉末壓成直徑 2 公分的圓錠。
6.將圓錠放入高溫爐，在接近 1 大氣壓下以攝氏 990 度燒結 15 小時。
3.3 藍寶石基板清洗
1.用拭鏡纸沾些許丙酮擦拭基板表面，清除表面明顯汙垢。
2.將基板放入超音波振盪器，以丙酮清洗 3 分鐘。
3.以酒精清洗 3 分鐘。
4.以純水(pure water, ρ=18.2MΩ‧cm)清洗 3 分鐘。
5.用氮氣吹乾基板表面並檢查是否乾淨。
3.4 鍍膜流程
1.將靶材置於靶材座，視情況將基板以銀膠黏於套筒上，或以蒸鍍罩(shadow mask) 蓋住固定於套筒上。
2.將套筒放入真空腔體內套於加熱棒上，放入靶座並調整位置，放下檔板。
3.開啟機械幫浦，慢慢轉開粗抽閥，使腔體壓力降至約 7.0×10-3mbar。
4.開啟渦輪幫浦，關粗抽閥，開渦輪幫浦前抽閥。
5.等渦輪幫浦轉速到達 2000rpm 時，慢慢轉開高真空閥抽氣。
6.腔體壓力降至 8.0×10-7mbar 以下時，先關高真空閥，再關渦輪幫浦前抽閥。
7.關閉渦輪幫浦與 3 號壓力計，通入高純氧氣(99.999%)，轉開粗抽閥與流量控制 器，輸入流量 3sccm 的氧氣。
8.調整粗抽閥大小使壓力穩定維持在實驗所需壓力，升溫至攝氏 700 度。
9.開雷射調整光路並熱機 20 分鐘。
10.預鍍 5 分鐘，清理靶材表面。
11.依摻雜物比例與鍍膜氧壓決定鍍膜時間，鍍膜結束後腔體抽真空降溫。
12.取出樣品。