三、 結果與討論
4.4 磁性量測
RHEED 與 XRD 的實驗皆指出，隨著不同的基版上 CFO 磊晶方向不同，在 AFM 的表面形貌圖中，我們可以看到在不同的基版上，許多奈米柱凸出表面形 成不同的形狀鑲嵌於基底中。儘管以 CFO 的最低表面能面去推測奈米結構的形 貌與 XRD 的結果相當吻合，但我們並不能因此斷定其奈米結構為 CFO。我們如 何確定其奈米柱為 CFO 而基底為 BFO？
我們利用 CFO 與 BFO 本身特有的磁性質，將這些試片作 VSM 與 MFM 的 磁性量測，當作分辨 CFO 與 BFO 的證據。BFO 為反鐵磁材料，CFO 為亞鐵磁材 料，所以在 MFM 的量測過程中，磁化過後的探針對 BFO 不會有作用，而對 CFO 會有排斥或吸引的作用力，我們可藉由探針偵測到的相差去分辨奈米結構為 CFO 或 BFO。
這部分的實驗會先以 VSM 量測薄膜整體的磁表現，再以 MFM 量測去磁後 與殘磁的奈米結構磁現象，薄膜的膜厚約 150nm，奈米柱形狀大小與上個章節的 AFM 相似。
圖 30. 以 XRD 與 AFM 推測示意圖。
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4.4.1 MFM 量測
為了確定 BFO-CFO 薄膜的 AFM 圖中觀察到的奈米柱結構為 CFO，我們進 一步利用 MFM 來分析薄膜的磁訊號分佈。
MFM 一般是以探針所感受到垂直方向的吸引力或排斥力來成像，圖 31 為 MFM 的影像對比示意圖。若試片的磁域方向於垂直方向上，探針對磁域的作用 力可以磁域外所延伸的磁力線表示，而此時探針所感受到的垂直作用力與成像對 比如圖 31a 中所示，其中黑與白的顏色取決於探針的磁化方向，非絕對值，而黑 與白之間的中間色為沒有磁場作用的部分。倘若磁域的磁矩債向於水平方向上，
在圖 31b 所示磁力線的分佈可以知道，垂直分量傴於磁域的磁場水平方向的兩端，
故磁場為水平方向的磁域上，此磁域的兩端會有兩個對比的顏色，而這兩個顏色 的位置可以知道其磁域的磁場在水平面的哪個方向上。
圖 31. MFM 影像與試片磁域的磁場方向關係圖垂直膜面：(a)磁場方向為 out-of-plane、
(b)磁場方向為 in-plane。
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對一磁性材料來說，當施予外加磁場時，材料內部順著著外加磁場方相的磁 域會漸漸變大，故對材料磁域的研究會先將其作去磁(demagnetized)的動作，以得 材料到最小的磁域。而去磁的方向為 VSM 中量測到的易軸方向，STO 為
out-of-plane 方向，DSO 為 in-plane 去磁，而 NGO 沒有特別的磁異向性，選 out-of-plane 方向去磁。去磁後量測的 MFM 量測如圖 32 所示，其中圖 32c,f,i 為 表面等高線與 MFM 影像的合成圖。由於使用的 MFM 探針的針頭較粗，所以掃 出的奈米柱形狀較為模糊。
圖 32. BFO-CFO 薄膜於三種不同的基版上，去磁後的 MFM 量測圖。
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先以 STO(001) c來說，以圖 32e 中可看到的黑與白對比為不同 out-of-plane 的磁域所貢獻，而中間色則為沒有磁場的地方，而在圖 32f 中可以清楚的看到有 磁訊號的地方與奈米柱相吻合，因此我們可以判斷金字塔型的奈米結構為 CFO 而基底則為 BFO。每個奈米柱對應的 MFM 圖傴一個顏色，表示 CFO 為向上或 向下的單磁域狀態，這是由於 CFO 的奈米柱形狀較小與高寬比較大的原故，這 樣磁的易軸位於垂直方向的奈米結構有利於磁電耦合的應用。
接著觀察 DSO(110)o上的 MFM 量測圖，大多數的 CFO 奈米柱顯示出 in-plane 的磁矩，亦有單磁域如圖 d 中綠線索圈起來的磁域所示，而藍色圈所表示的為多 磁域會 in-plane 的磁域。
最後，在 NGO(110)o上的 MFM 量測圖，如圖 32i 所示，由於其奈米柱的形 狀較大，又 out-of-plane 不是 CFO 的易軸方向，所以去磁後的 CFO 三角形平台顯 示多磁域狀態。而圖 32h 中的深色區域為針頭受表面形貌所影響所造成 。 整體而言，在不同的基版上的奈米柱皆有磁訊號而基底沒有，所以我們可以 明確地證實，在不同基版上凸出的奈米柱為不同磊晶方向的 CFO 材料，也更可 以確定 CFO 的形狀異向性30為 BFO-CFO 薄膜的磁異向性主要原因。由於 CFO 的磊晶方向不同，導致奈米柱的形貌各異，衍生出不同的磁異向性，所以藉由不 同基版的選用，可以進而控制 BFO-CFO 複合薄膜的磁異向性。
- 36 - 磁晶異向性易軸於<100>上，由於其對稱性讓 in-plane 與 out-of-plane 的方向的差 異小，故我們傴需考慮 CFO 的形狀異向性。
圖 33 顯示在不同基版上 CFO 的 VSM 量測結果。圖 33a-c 為 in-plane 方向的 磁滯曲線，圖 33d-f 則為其中一條 in-plane 與 out-of-plane 方向的磁滯曲線圖。結 果顯示，STO 基版上 CFO 奈米柱的易軸位於 STO[001]c(out-of-plane 方向)上，而
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