殘磁態下鎳平板線之磁力影像

4.4.1 殘磁態的鎳平板線磁力影像

鎳平板線之磁阻曲線於不可逆部分（Irreversible part）皆未展現預期中在磁 矩方向平行於長軸的單一磁區結構。為確定此結果，本實驗也利用電子束微影技 術在 SiN/Si 基板上製作一系列線長 L=21 μm，線寬由 0.2 μm 變化至 5 μm，厚度 t 同為 30 nm 的鎳平板線陣列，進行室溫下磁力影像（Magnetic Force Microscope, MFM）掃描。掃描前先於樣品長軸方向施予一大磁場（~7000 Oe）將樣品飽和 磁化；隨後將樣品挪離外加磁場使其回到殘磁態，再進行掃描動作。限於貴儀實 驗設備之使用限制，本實驗僅對樣品做了外加磁場與長軸方向平行之殘磁態的掃 描。觀看 MFM 影像時，可同步檢視樣品線之原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）影像，確認平板線表面之粗糙情形。掃描結果顯示，樣品表 面粗糙程度約在 2 nm 之內。

圖 4.15 為幾種不同線寬之鎳平板線樣品之及 AFM（左）及 MFM（右）掃 描影像。右圖於鎳平板線 MFM 影像中，暗與亮分別代表穿出和穿入樣品之兩種 不同的磁力線行進方向。圖中最下方線寬為 5.0 μm 之樣品，並無特殊磁區分布 之形式，呈現不規則的亮暗區域，可視為多磁區結構。而線寬在 0.8 μm 以下之 樣品則在其長軸兩端呈現亮暗交替之區塊；且線寬較寬之樣品中央區段顯示均勻 之暗色。此圖非常恰當地說明鎳平板線之磁易軸平行於樣品線之短軸，並解釋了 磁電阻曲線於殘磁態時趨近於小電阻值；其擁有多磁區結構，且有著有規律的磁 區分布；不同於線寬為 5 μm 之樣品。

圖 4.15 不同線寬之鎳平板線樣品在室溫下之 AFM（左）及 MFM（右）掃描影 像。線長為 21 μm，線寬由上至下依序為 w=0.25 μm，0.31 μm，0.40 μm，0.48 μm，

0.69 μm，0.8 μm，與 5.0 μm。

上圖中，線寬小於 0.5 μm 的樣品所展現之磁電阻圖形歸類於類別 C，0.5 μm 以上則歸於類別 B。圖中顯示，當樣品由長軸方向之飽和磁場回到殘磁態時，線 寬越窄的樣品線內所含之磁區數越多，表示磁矩傾向脫離長軸的情況越為明顯；

說明了磁易軸越傾向平行於短軸的特性。此時在樣品在殘磁態，磁壁所貢獻的電 阻（Domain wall resistance）也越大。因此圖 4.10 在小角度中，類別 C 樣品所含 有的高電阻變化率可視為樣品內部磁壁所貢獻；觀察圖 4.10（b）之類別 C 的殘 磁態電阻值變化率較圖 4.10（a）同類別樣品來的低，這是因為樣品之磁易軸近 平行於短軸，因此在高角度時之殘磁態磁壁所貢獻之電阻值較小。

4.4.2 由磁電阻曲線及磁力影像推斷磁矩翻轉

透過圖 4.15 在室溫下所得之殘磁態 MFM 影像顯現的亮暗區域，可推測鎳平 板線在 T＝10K 時，類別 B 與類別 C 樣品在殘磁態時，磁矩在鎳平板線內部之 排列情形，如圖 4.16。樣品中的明暗區域代表了垂直膜面的磁矩方向；磁矩並非 完全垂直膜面，而是有一傾斜角。類別 B 樣品內部磁矩相較於類別 C 有較多平

磁電阻曲線中，樣品在各外加磁場下內部的磁矩翻轉，如圖 4.17 與圖 4.18。

-1000 -500 0 500 1000

0.00

-1000 -500 0 500 1000

0.0

磁電阻並非最小值；比較圖 4.16 左右兩圖中，左圖的類別 B 較右圖的類別 C 樣 品有較低的交換能，可說明殘磁態時類別 B 樣品磁矩比類別 C 樣品有較高的平 行長軸分量，磁電阻變化率也較高。

當磁場往負向漸增加強度，有更多的樣品內部磁矩方向交錯排列；到達磁 電阻最小值（3）時，樣品內部磁矩~90°。當樣品內部磁矩平行長軸分量漸增

（（4）~（5））；最終當磁場達到負向飽和時，樣品內部磁矩又一致回到與水平 反向夾角 15°的位置。

當θ＝90°時，如圖 4.17（右）所示，在大外加磁場時，磁電阻並非最小值，

顯示在飽和磁場時樣品內部磁矩方向並非完全垂直於線長軸，在 1000 Oe（1）

時~83°；磁電阻最小值出現在殘磁態（2），此時磁矩垂直長軸分量有最大值，

~90°。

當負向磁場開始漸增（（3）~（4））時，磁矩的平行分量有微幅的上升後再 下降，但改變量小於 2%，也就是磁矩的在平行膜面上的翻轉角度Δ＜8°。

圖 4.17 中可知在小角度時，樣品內部磁矩在平行膜面方向有連續性的偏 轉，然而在大角度時，磁電阻圖形並未顯示出相同情形。推測樣品在大角度的 外加磁場下，內部磁矩翻轉 180°時是在垂直膜面方向，以 Bloch wall（圖 2.2）

的形式進行；因此量測平行膜面上的磁電阻無法觀察出內部磁矩隨外加磁場連 續翻轉的過程。

圖 4.18 為推測類別 C 之鎳平板線（w＝0.6μm, L=30μm, and t=30nm）內部 磁矩隨外加磁場翻轉的過程；左圖為θ＝15°，右圖為 θ＝90°。在小角度時類別 C 與類別 B 樣品內部磁矩翻轉過程類似，磁矩在平行膜面方向有練續性的翻 轉；到殘磁態（3）時，磁矩有最大垂直長軸分量，此時樣品中有最大交換能（圖 4.16 右方）而有較低的磁電阻變化率。在大角度時，圖 4.18（右）顯示在 1000 Oe（1）時，樣品內部磁矩~84°；但當負向磁場持續增加時，平板線內部磁矩 的平行分量持續增加至超越 3%，也就是磁矩偏轉角度Δ超過 10°，其變化率

圖 4.18 類別 C 之鎳平板線（w＝0.6μm, L=30μm, and t=30nm）在 T＝10K， w=0.2~10 μm，線長 L=20、30、60 μm）的微米鎳平板線內部不同區域的磁性行 為。樣品設計區間為左右對稱，平板線的左半部（Left）和右半部（Right）分別 以 L 和 R 表示，同時利用電極將鎳平板線分為了幾個部份：平板線尾端（end）、

中端（inter-medium）及中央（center）（圖 4.19）；而不同線長之樣品，所分區 段長度也不同。L=60 μm 之樣品區段長度設計為 1：3：6：20：20：6：3：1，

L=30 μm 則設計為 1：2：4：8：8：4：2：1，而 L=20 μm 有兩種不同之區段長 度設計，分別為 1：2：4：3：3：4：2：1 以及 1：1：2：6：6：2：1：1。線長 L=30 μm 之樣品分區設計圖形如下圖所示。

-1000 -500 0 500 1000

0.0

-1000 -500 0 500 1000

0.00