磁光柯爾效應儀器裝置

圖 3.15 磁光柯爾效應裝置圖

在大氣底下的磁光柯爾效應系統(兩電磁鐵間距為 10mm、18A、磁場最大 可達 1 特士拉)，我們使用半導體雷射(波長：670 nm、功率：3mW、線偏振)作 為實驗的光源，當光源經過第一個偏振片後，就能夠確定是一個純的線偏振光源，

入射磁性樣品之後反射透過聚焦透鏡讓光源集中，再射入第二個偏振片，透過轉 動偏振片小小的角度讓些微光源通過，由光偵測器量測到些微光源的強度(之前 原理部分提到：反射光的強度就是量測柯爾旋轉角)，因為柯爾訊號非常小，藉 著鎖相放大器可以排除雜訊抓住我們要的訊號，最後送到 NI 卡再到電腦，利用 量測到的柯爾訊號與外加磁場就能畫出磁滯曲線。在實驗上我們量測極向與縱向 的磁光柯爾效應。

圖 3.16 極向與縱向的磁光柯爾效應裝置圖

3.4 X 光反射率(XRR System)

圖 3.17 X 光反射率量測系統[51]

XRR 系統的量測是與淡江大學杜昭宏老師合作的實驗儀器(儀器所在地：國 家同步輻射中心)，圖及實驗是由淡江大學碩士生歐顓豪提供與完成。

3.4.1 X 光繞射基本原理

X 光乃是電磁輻射，在實驗上的 X 光源波長為 1.2398A、能量：10keV。X 光是由熱燈絲釋出電子之後，經過電場加速，撞擊金屬靶材而產生。在 1912 年，

德國物理學家勞厄發現 X 光通過晶體的繞射現象，所以，便開啟了 X 光繞射技 術在材料量測的應用，而後經由英國科學家布拉格把勞厄的表示法做修正，並且 推出在晶格中 X 光繞射必須滿足布拉格繞射定律：2d n ，n 1，2，3 其中 n 為強度極大之階數； 為 X 光波長；d 是反射晶面的間距； 為繞射的角度。

若 X 光入射到樣品中，要在相鄰的兩個晶面存在建設性干涉並產生繞射，X 光 經過的距離差必須為波長的整數倍。[36]

圖 3.18 布拉格繞射圖

3.4.2 X 光反射率裝置

X 光反射率裝置是利用全反射原理來分析薄膜的密度、厚度、粗糙度、以及 電子密度分布。當入射 X 光小於臨界角時，X 光會趨近全反射；當大於臨界角 時，X 光的反射率就會隨著入射角度變大而減小，在樣品是多層膜結構時，也會 有 Kiessing 干涉條紋產生，不同的材料也會造成不同的 X 光反射曲線。在實驗 上主要是轉動樣品來做 掃描(偵測器會以 X 光入射樣品的繞射角度兩倍角 來做轉動)，每 0.01 做一次量測，直到反射光強度非常微弱時就代表光源已經打 到最底層了，便是做完一次的量測，再由 X 光強度變化與轉動角度 來作圖。

另外我們還可以對樣品外加磁場，再觀察圖形有何變化。[37 39]

圖 3.19 X 光反射率系統

第四章 實驗與成果

4.1 高定向熱解石墨系統 (HOPG System)

4.1.1 實驗動機

閱讀這兩篇文獻之後，使我們產生興趣，對於磁性薄膜成長在石墨基板上磁 性行為與表面形貌究竟是什麼樣子?

(1). New J. Phys. 12, 103040 (2010) [40]

圖4.1 Au/Co/graphene/Ir/ 結構圖[40]

實驗樣品屬於多層膜結構，基板為 (0001)，Ir(111)上面鍍上graphene之 後再鍍上磁性材料鈷，最後再蓋上金。鍍膜的儀器為脈衝雷射鍍膜系統(PLD)。

透過磁光柯爾效應來研究磁性的行為，如圖我們可以發現，鈷的薄膜小於10 時 量測到垂直方向的磁異向性；10 之後磁性就會轉為水平方向。

圖4.2 Au/Co/graphene/Ir/ 磁滯曲線圖[40]

(2). Surf. Sci. 601, (2007) 188 [41]

第二個實驗是選用兩個高定向熱解石墨(HOPG)當作基板，一則未經任何處 理(平坦的)(Smooth-HOPG)、另一則利用氬離子轟擊HOPG表面(Sputtered-HOPG)。

所以分別在兩種不同情形的基板上鍍上磁性薄膜(鐵)，來比較表面形貌有什麼不 同之處。

圖4.3 Fe/HOPG掃描穿隧電子顯微鏡圖[41]

透過穿隧掃描電子顯微鏡(STM)得到樣品的表面形貌圖形，從圖形可以很明 顯的觀察到在Smooth-HOPG的情形鍍上鐵，鐵原子會傾向長在台階邊緣、成核 尺 寸 相 對 於 在 Sputtered-HOPG 成 長 的 鐵 原 子 來 的 大 。 另 一 方 面 ， 在 Sputtered-HOPG上鐵的島狀結構較小，換句話說，分佈的較均勻。

4.1.2 實驗流程

高定向熱解石墨(HOPG)基板尺寸為10 10 1mm，清理方式：用透明膠帶撕 開高定向熱解石墨表層之後，得到乾淨的表面，再放入真空腔體烤個12小時，就 能開始進行我們的實驗。

在本實驗，分別準備兩種不同表面性質的基板(1.平坦的高定向熱解石墨、

2.氬離子轟擊過表面的高定向熱解石墨)。氬離子轟擊的參數：beam voltage：600eV

、emission current：10 mA、總時間：三分鐘、壓力值：5 torr；氬離子的 密度大約估計為2.25 ions/ 。

樣品都準備就緒便開始鍍膜，利用熱蒸鍍槍來鍍上磁性材料：鈷。鍍率是借 由調整放射電流值(烏燈絲)、電壓值(鍍原離烏燈絲的距離)來控制，鈷的鍍率是 (功率：27.5瓦、放射電流值：13毫安培、電壓值：2.56 VDC)。鍍率的校正是利 用磊晶的方式來鍍磁性材料於銅(100)基板上，再用歐傑電子能譜(AES)來做確認。

1個原子層定義：1.54 atom/c 。

圖4.4 高定向熱解石墨系統系統實驗流程圖

4.1.3 實驗結果 歐傑電子能譜

由鈷鍍在 HOPG 上的歐傑電子能譜實驗圖表，可以分成兩部分：1.低溫(200K) 2.室溫(300K)。從圖表中得知，在低溫條件成長的鈷原子覆蓋率大於在室溫條件 下，這是因為在低溫時原子遷移率較低，鈷原子將有效的被限制住，導致更完全 的二維成長。然而，很明顯的可以看到在室溫條件下，鈷原子在氬離子轟擊的 HOPG 表面覆蓋率大於平坦的 HOPG，我們可以推測：在室溫，不同的基板條件 下的成長模式是非常不一樣的，由於高密度的氬離子轟擊 HOPG 表面導致表面 缺陷，所以減少了原子的擴散路徑長，因此形成尺寸較小的群體，換句話說，有 較高的分布均勻度；另一方面，在平坦的 HOPG 表面，鈷原子會聚集成尺寸較 大的群體、分布均勻度相對較小。從 STM 圖形可以更確定，鈷原子成核大小在 氬離子轟擊的 HOPG 上小於平坦的 HOPG。[42][43]

圖 4.5 高定向熱解石墨系統(歐傑電子能譜圖)[43]

表面形貌：掃描式穿隧電子顯微鏡

STM 的部分，分別做了平坦和氬離子轟擊過的表面比較以及鍍上相同厚度 的磁性材料：鈷 之後的表面形貌比較。從圖中可以看出在平坦 HOPG 的表面是 相當平整的，再鍍上 45 層厚的鈷之後，表面形貌仍然相當平整、粗糙度約 0.5 。 我們從圖(C)的側向圖可以初略推算出鈷原子的結晶大小約 20 nm，形成許多原 子平台。另一方面，在氬離子轟擊的 HOPG 情況下，導致表面的缺陷，粗糙度 約 0.7nm。鍍上 45 層的鈷之後，由圖(d)的側向圖得知，表面的粗糙度增加到約 為 1 nm。從比較圖(c)與圖(d)可以知道，HOPG 的表面形成缺陷確實會影響鈷原 子的結晶與成長模式。

圖 4.6 高定向熱解石墨系統(掃描式穿隧電子顯微鏡圖)

磁性行為：磁光柯爾效應

磁性部分，我們分別量測水平與垂直方向的磁光柯爾效應，從歸一化的磁光 柯爾效應圖(Co/planar-HOPG)顯示，當鈷的層數到達 14 層時，在水平方向上開 始出現磁滯曲線。磁滯曲線又只有在水平方向上才量的到，所以，水平方向是易 軸方向。另一方面，在圖(Co/sputtered-HOPG)中我們發現，不論是在水平或垂直 方向，從 4.5 層一直到 50 層，總是顯示方形的磁滯曲線。我們還做了磁矩方向 上的量測，最後確認磁性行為是 canted。[42][43]

圖 4.7 Co/planar-HOPG 磁滯曲線圖[43]

圖 4.8 Co/sputtered-HOPG 磁滯曲線圖[43]

我們也做了矯頑磁力(Hc)與薄膜厚度的關係圖，如圖顯示：Co/planar-HOPG 在水平方向上的矯頑磁力範圍：20 至 50 Oe。Co/sputtered-HOPG 在水平方向上 的矯頑磁力範圍：15 至 40 Oe；垂直方向上的矯頑磁力值約為水平方向上的 2 到 3 倍。矯頑磁力一開始隨著厚度增加而增加，至高覆蓋率的鈷之後矯頑磁力值便 開始下降，我們推測的可能的原因為：鈷薄膜的變形(strain relaxation)或結構轉 變，因為面心立方結構的鈷(晶格常數：2.506 )、六方最密堆積結構鈷(晶格常數：

2.507 )晶格常數大小非常接近，以致於很難從實驗及理論的觀點來觀察到。最 後藉由水平與垂直方向：Co/sputtered-HOPG 矯頑磁力圖推得 canted 的角度 約 為 30 至 45 度。[42][43]

圖 4.9 矯頑磁力與厚度關係圖&Canted 角度關係圖[43]

4.2 三氧化二鋁(Sapphire)系統 (Al 2 O 3 (0001) System)

4.2.1 實驗動機

在鐵磁材料中，磁異向能一直都是磁性研究上的觀察重點。如今，奈米科技 的蓬勃發產，奈米尺寸大小的磁性材料常被應用在紀錄儲存功能的硬碟上。有一 些方法可以透過改變磁性薄膜的尺寸形狀，而產生單軸的磁異向性。譬如，利用 斜角鍍膜的方式或改變基板的形狀讓薄膜成長的情況有所不同，導致不同的表面 形貌以及對應到的磁性行為。許多實驗團隊利用改變基板的表面結構或斜角鍍膜 的方式做出類似的結果：Co/Cu(001)[44]、Fe/MgO(001)[45]。

圖4.10 Co/Cu(001) 掃描穿隧電子顯微鏡圖[44]

圖4.11 Fe/MgO(001) 掃描穿隧電子顯微鏡圖[45]

在本實驗中我們感興趣的地方是，蓋上保護層之後的表面形貌又是為何?因 為，這是在工業的應用上是不可不免的效應。從磁性的角度切入，對於蓋上保護 層之後對鐵磁層的磁性行為會不會有影響呢?

陰影效應(shadowing effect)

如圖：因為陰影效應的關係，使得鍍膜角度改變時，造成不同的表面形貌(奈 米尺寸：瘦長狀的結晶或波紋)[46]

圖4.12 陰影效應示意圖

4.2.2 實驗流程

本實驗使用三氧化二鋁當作基板，尺寸為3 3 0.5mm，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。

實驗透過三種不同角度(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。

圖4.13 三氧化二鋁(0001)系統實驗流程圖

鍍膜的參數：

鐵的鍍率是(功率：25.3 瓦、放射電流值：15 毫安培、電壓值：2.80 VDC)。

5ML/1min

鈀的鍍率是(功率：26.2 瓦、放射電流值：18 毫安培、電壓值：3.42 VDC)。

1ML/1min

4.2.3 實驗結果

表面形貌：掃描式穿隧電子顯微鏡

因為鐵是斜角鍍膜的關係，所以會產生一維的奈米結構。雖然，保護層(鈀) 是正鍍在斜向鍍膜的鐵上面，但是我們仍然可以觀察到鐵因斜向鍍膜的效應。

圖(a)可以觀察到鈀在 ˚-Fe 上組成奈米線條，寬度約為 5 2 nm，線條的範 圍大概數十個奈米，表面的粗糙度為 3 nm。從圖中白色三角形標示的地方很清 楚可以看出三重的對稱性，這是因為 Al2O3基板六角晶格結構的關係。

圖(b)、(c)是由鈀鍍在 ˚-Fe 與 ˚-Fe 上，可以觀察到表面形貌是鈀形成的原子 團簇隨機分部所組成，鈀的覆蓋層已經完全蓋住了鐵薄膜的一維奈米結構。

圖(b)、(c)是由鈀鍍在 ˚-Fe 與 ˚-Fe 上，可以觀察到表面形貌是鈀形成的原子 團簇隨機分部所組成，鈀的覆蓋層已經完全蓋住了鐵薄膜的一維奈米結構。