第四章 實驗與成果
4.3 矽(Silicon)系統(Si(111) System)
4.3.1 實驗動機
在矽基板的實驗上我們同時比照了在 Al2O3(0001)基板上利用斜向鍍膜(鐵) 的方式，來觀察表面形貌與磁性是否與 Al2O3(0001)基板上結果相同或者不一樣?
從鐵磁性材料(鐵、鎳)的多層膜系統中，透過改變不同的參數：合金介面層、
加熱介面層，我們可以發現什麼有趣的磁性行為以及晶格結構變化與表面形貌 呢?
對於鎳金屬的磁性行為我們也非常感興趣，相較於鐵、鈷兩種磁性材料來說，
鎳算是最特別的[48 50]，文獻指出[48 50]：在鎳薄膜很薄時，不同於其他薄膜，
Ni/Cu(001)呈現出來的磁化方向是平行於薄膜平面的。隨著厚度增加，約在 7ML 左右，會改變磁化方向(由水平轉成垂直於薄膜平面)，而厚度慢慢增加至 30ML 到 50ML 左右時，磁化方向又會轉為水平方向。所以本實驗也有選用鎳來當作研 究的對像。
圖 4.17 Ni/Cu(001) 磁光柯爾效應圖[49]
4.3.2 實驗流程
本實驗使用矽(111)當作基板，尺寸為13 3mm，清理方式：用酒精做震洗完畢後，
再放入真空腔體烤個12小時，就能開始進行我們的實驗。
斜角鍍膜：三個矽基板先用氬離子轟擊把表面的氧化層打掉後(實驗參數：2KV、
25mA、P 5 、1 hour)，再由三種不同角度(0°、45°、65°)、相同厚度的鐵 鍍在的基板上，最後再蓋上鈀作為保護層，再進行表面形貌(STM)與磁性行為 (MOKE)的量測與探討。
合金介面層：矽基板先用氬離子轟擊把表面的氧化層打掉後(實驗參數：2KV、
25mA、P 5 、1 hour)，分別 0°鍍上(鐵、鎳、鈀、無介面層)的各種組合[鐵 矽合金介面：鐵(2ML)、鈀(2ML)][鎳矽合金介面：鎳(1ML)、鈀(0.75ML)]，再加 熱 1 分鐘(實驗參數：5A、9.94V、約 500 700 )，(與矽基板形成合金)後，都 鍍上相同厚度(20ML、0°)的鐵或鎳(10ML、0°)，最後蓋上鈀(20ML、0°)。進行 表面形貌(STM)與磁性行為(MOKE)、X 光反射率(XRR)的量測與探討。
圖 4.18 矽(111)系統實驗流程圖
4.2.3 實驗結果 斜角鍍膜
磁性行為：磁光柯爾效應
在磁光柯爾效應的實驗上，我們旋轉方位角(azimuthal angle )來分別量測 Pd/ ˚、 ˚、 ˚-deposited Fe/Si(111)磁滯曲線。
圖 4.19 磁光柯爾效應量測圖
圖 4.20 矽(111)系統-斜角鍍膜-磁光柯爾效應圖
如同前一個 Fe/Al2O3(0001)的實驗結果一樣，利用斜角鍍膜的方式，產生不 同的磁性行為，在 ˚度鍍膜的時候總是量到方形的磁滯曲線； ˚與 ˚鍍膜的情 況下，當方位角轉到 90 度，磁滯曲線變得傾斜狀、殘磁減少到幾乎等於零。從 ˚的磁滯曲線圖形可以觀察出樣品具有單軸的磁異向性，易軸方向：沿著方位 角 0 deg，難軸方向：沿著方位角 90 deg。
合金介面層(磁性材料：鐵) 磁性行為：磁光柯爾效應
從圖可以觀察到，在三種不同介面層的情形裡，總是呈現方形的磁滯曲線，
特別的是，相較 Pd/20 ML Fe(0°)、Pd/20 ML Fe(0°)/Pd-Silicide(annealing 1min )，
Pd/20 ML Fe(0°)/Fe-Silicide(annealing 1min)的矯頑磁力(Hc＝130 Oe)較大。
圖 4.21 矽(111)系統-合金介面層(鐵)(鈀)-磁光柯爾效應圖
圖 4.22 矽(111)系統-合金介面層(鐵)(鈀)-矯頑磁力比較圖
合金介面層(磁性材料：鐵)
表面形貌：掃描式穿隧電子顯微鏡
我們可以觀察到在覆蓋上鈀之後的表面形貌，Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)的表層 鈀原子簇的尺寸大小是大於在 Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)的情形。兩種情況下的表 面粗糙度是差不多的：大約 3 1 nm。
圖 4.23 矽(111)系統-合金介面層(鐵)(鈀)-掃描穿隧電子顯微鏡圖
合金介面層(磁性材料：鐵) 晶格結構：外加磁場-X 光反射率
在外加磁場底下的 X 光反射率圖形顯示，不論合金介面層是鐵矽或者鈀矽，
我們可以看到強度與角度的圖形有些許偏移的趨勢，所以使得磁性薄膜(鐵磁層) 的晶格結構可能發生改變。[51]
圖 4.24 矽(111)系統-合金介面層(鐵)-外加磁場 X 光反射率圖
圖 4.25 矽(111)系統-合金介面層(鈀)-外加磁場 X 光反射率圖
合金介面層(磁性材料：鎳)
由圖得知，相較於介面合金(鐵)的系統來說，在(鎳系統)得到的結論比較沒 什麼特別的結果發生，矯頑磁力大小在三種樣品下量測的數據則無明顯變化。
圖 4.26 矽(111)系統-合金介面層(鎳)(鈀)-磁光柯爾效應圖
圖 4.27 矽(111)系統-合金介面層(鎳)(鈀)-矯頑磁力比較圖