添加緩衝劑硼酸(H 3 BO 3 )的影響

研究目標：

由 4.1 結果得到以 Si/Cu 為基板且第一層電鍍層為銅的樣品擁有較好的磁性質，

因此接下來本節中將以這一批樣品的參數為基準，和討論電鍍液添加緩衝劑硼酸 (H

3

BO

3

) 0.2M 對電鍍層表面以及磁性的影響。

研究過程與分析：

CV 圖

由循環伏安圖(圖 4.2.1)觀察得知加入 H

3

BO

3

(圖 4.2.1(b))使鈷的還原反應延後發生 (如圖 4.2.1 紅框處)，且還原電流大幅下降。以-0.9V 為例，電流密度約從 15 mA/cm

²

降至 5 mA/cm

²

，表示加入 H

3

BO

3

會抑制鈷的還原反應。

(a)

(b)

圖 4.2.1 (a) Si(100)/Cu 在電鍍液 0V~-1V 電位範圍循環伏安圖

(b) Si(100)/Cu 在加上硼酸的電鍍液 0V~-1V 電位範圍循環伏安圖

~72~

Si/Cu/(Cu/Co)₅₀

normalized

Si/Cu/(Cu/Co)50

normalized

~73~

由圖 4.2.2 得知，未加 H

3

BO

3

的樣品(sample1,sample2)均有較大的矯頑場(約 0.35~0.4 kOe)，且磁場到達 2 kOe 時才有飽和情形出現。加入 H

3

BO

3

的樣品在未 調整電鍍時間 (sample3) 時，如同 CV 圖所顯示，鈷的鍍率太低含量過少而沒有 磁滯的行為，僅顯示出銅的順磁性訊號；將電鍍時間做調整之後(sample4)，再次 觀察到磁滯現象且矯頑場大幅下降(約 0.08 kOe)，飽和磁場也降低至 0.3 kOe。由 此推測，加入 H

3

BO

3

雖然使鈷金屬鍍率降低，但由磁滯曲線中觀察得到，加入 H

3

BO

3

會使鈷銅多層膜磁結構產生變化，並有助於磁矩的排列與翻轉，大幅降低 磁化所需的能量。雖然得到磁性質發生改變的結論，但對於是甚麼因素改變了磁 性質光從磁滯曲線中還無法完全判斷出，因此接下來藉由 AFM 掃描的圖形觀察 薄膜表面的變化情形，探討可能影響磁性質的原因。

AFM 圖

圖 4.2.3 為鈷銅多層膜層數 40 的 AFM 表面形貌圖，左圖為電鍍液未加 H3BO3 的 表面形貌，右圖是有加 H3BO3 的情況。將兩圖相比較，很明顯的可以發現加硼 酸後的顆粒尺寸遠小於未加硼酸的樣品，且加入硼酸後的樣品也比較不容易堆積 成團，排列也比較密集，粗糙度由 9.51nm 降至 3.69nm(表 4.2)。因此推斷使磁性 質變好的原因為顆粒尺寸變小且緊密排列使得外加磁場時磁矩的翻轉變得容易，

粗糙度下降減少表面凹凸不平的小山丘(釘札，pinning center)對磁矩翻轉的影響，

矯頑場與飽和磁場大幅下降。而由粗糙度下降以及顆粒變小不易結成團的現象推 測，層狀結構的介面應該變得更明顯，使鐵磁層之間的交換耦合作用(exchange coupling)變強，當外加磁場時，磁矩之間會互相影響，帶動翻轉，所以在較小的 磁場下即可達到飽和。

~74~

(a) (b)

圖 4.2.3 Si/Cu/(Cu/Co)

40

的 AFM 表面形貌圖，掃描範圍為 3x3μm

²

(a)未加 H

₃

BO

₃

(b)加 H

₃

BO

₃

未加 H

3

BO

3

加 H

3

BO

3

粗糙度(Roughness,Ra) 9.51 nm 3.69 nm

表 4.2

~75~

SEM 橫切面圖

由 SEM 切面圖中得到，鍍層密緻無孔洞，而分層現象不明顯可能是因為解析度 不夠且介面不夠連續，而總厚度估計約 400nm。

MOKE 圖

接下來討論在不同層數週期下有無加硼酸對磁性質的影響(圖 4.2.5)，在未加硼酸 (圖 4.2.5(a))與有加硼酸(圖 4.2.5(b))的樣品中，矯頑場皆隨著層數的增加而變小，

表示樣品皆有良好的多層膜結構，隨著層數的增加，鐵磁層之間的交換耦合作用 越來越強。雖然兩者的矯頑場隨層數變化有一樣的趨勢，但兩者的磁滯曲線形狀 卻差異甚大。在未加硼酸的系列中(圖 4.2.5(a))，低磁場時，磁矩翻轉幅度小，速 度慢，使磁滯曲線形狀皆較圓滑，不易達到飽和。而加硼酸的系列中(圖 4.2.5(b))，

在低磁場時磁矩翻轉快速，幾乎已達到近飽和的狀態，因此磁滯曲線方正度較高，

殘餘磁化量也較高。

圖 4.2.4 Si/Cu/(Cu/Co)

50

(加 H

3

BO

3

)的 SEM 切面圖

~76~

Si/Cu/(Cu/Co)

_x

x=

~77~

MR 圖

圖 4.2.7 為鈷銅多層膜 20~50 層的磁阻變化率圖，左欄為未加硼酸系列，右欄為 加硼酸系列，由上到下依序為層數從 20 層增加至 50 層。不論是否有加硼酸，LMR 與 TMR 均隨著磁場增加而電阻變小，而且隨層數增加，MR 變化率也隨之上升，

充分顯示出多層膜的巨磁阻效應：層數越多，電子散射機率越大。在未加硼酸系 列裡(左欄)，TMR 與 LMR 的兩個峰值皆距離較遠，但曲線在低磁場時即達到飽和；

而在加硼酸的系列(右欄)，峰值間的距離較近且在磁場達到 3kOe 時仍未飽和；

根據 László Péter and Imre Bakonyi 的書中將貢獻磁阻變化的來源分類整理的 磁滯曲線與 MR 變化圖(圖 4.2.5)，未加硼酸系列較符合第四個圖形，AMR 與 GMR

FM

共同合成的效應；而加入硼酸則較符合第五個圖形，AMR 與 GMR

FM

、GMR

SPM

共 同貢獻的結果，推測是由於加入硼酸後顆粒變小，讓 GMR

SPM

效應變得明顯。再 套用 Wiely-VCH VerlagGmbh(Weinheim,Germany)書中對 GMR

FM

與 GMR

SPM

效應貢 獻的多寡所整理出的顆粒型為模擬圖(圖 4.2.6)，推測在未添加硼酸時鐵磁層內的 薄膜型式和第 4 個圖形相似 GMR

FM

貢獻大於 GMR

SPM

；而加入硼酸後小顆粒變多，

使薄膜的生長趨向第 2 個圖，GMR

SPM

貢獻大於 GMR

FM

。

圖 4.2.6 不同類型的磁阻其磁滯曲線與 MR 變化圖[50]

~78~

Si/Cu/(Cu/Co)₂₀ TMR

Si/Cu/(Cu/Co)₃₀ TMR

~79~

Si/Cu/(Cu/Co)₄₀ TMR

~80~

在文檔中 利用柯爾磁光效應與磁電阻研究電鍍Co/Cu多層膜 (頁 80-89)