第三章 樣品製備與檢測
3.8 掃瞄式電子顯微鏡(SEM)量測
SEM 的基本原理[23]為利用加熱燈絲使靜電聚焦之後，形成一約 10μ ～
m
50μ 大小的點光源之後，在陽極處施予一加速偏壓，經過 2 到 3 個電磁透鏡所m
組成的電子光學系統，可以匯聚成一直徑約為5nm~10nm 之電子束並聚焦到樣品 表面上。於末端透鏡裝有一掃描線圈，可以使電子束在樣品上掃描。成像信號可 以是二次電子、背散射電子或吸收電子。其中二次電子是最主要的成像信號。由 電子槍發射的能量為5~35 keV 的電子，以其交叉斑做為電子源，經二級聚光鏡 及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃 描線圈驅動下，於試樣表面按一定時間、空間順序作柵網式掃描。聚焦電子束與 試樣相互作用，產生二次電子發射（以及其他物理信號），二次電子發射量隨試 樣表面形貌而變化。二次電子信號被探測器收集轉換成電訊號，經視頻放大後輸 入到顯像管柵極，調製與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面 形貌的二次電子像。我們所使用的機台為屏東教育大學材料特性實驗室的 SEM，如圖 3.18 所 示，型號為JSM-6390，放大倍率為 5~300,000 倍，加速電壓為 0.5~30KV，解析 度可達3nm(30KV)。
圖3.18 SEM 機台實體圖
3.8 電子自旋共振(ESR)量測
電子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)，其原理為調控一外加磁場施加 於樣品上，使樣品的電子自旋共振頻率改變，再將一固定頻率的微波訊號送入樣 品座，當外加場使得樣品的共振頻率到達微波頻率時，即產生共振吸收，在此量 測中可以得到一外加場與訊號強度的圖。
此研究中，我們使用中興大學貴儀中心的電子順磁共振光譜儀來做AAO/NiFe 系列的樣品量測，型號為 Bruker EMX-10/12，12 kW 功率，最高磁場強度可達 1.45 T。
第四章 結果與討論
4.1 Al
2O
3/V/NiFe
在此實驗中，首先我們先藉著對Al2O3/V/NiFe 系統做改變成長鎳鐵的溫度 來做結構的探討以及磁性質的研究，AFM來觀察其鎳鐵膜的表面形貌，以 MOKE、VSM來量測其磁滯曲線的變化，利用XRD來做結構的分析，再以MEM 來觀察其在不同磁場下的磁區變化情形。
4.1.1 AFM 量測分析
由AFM的圖中可以觀察到各種不同成長溫度下之鎳鐵膜的表面形貌。而由 [3]所知，在Al2O3( )基板上鍍上V來做為緩衝層可以使最上層的鎳鐵可以有 較平整且良好的二維結構，因此可以知道當鎳鐵的成長溫度為100℃的時候，其 會有往(NiFe[0-11]的方向) [24]成長的傾向，此時晶粒形狀似為一橢圓球狀而大小 約為10nm，粗糙度大約為 0.16nm。當鎳鐵成長溫度上升為 300℃時，橢圓球狀 晶粒增大到約為23nm，而其平均粗糙度為 0.22nm，如圖 4.1 所示。
00 1 1
_圖4.1 鎳鐵成長於不同溫度下之 AFM (a)100℃ (b)300℃
而圖 4.2 為鎳鐵成長於 400℃以及 500℃的情形，同樣可以看出在隨著成長
溫度提高的時候，鎳鐵薄膜的晶粒持續呈現增大的趨勢，並且一樣都是呈有序且 同方向成長的結構，但是並無明顯拉長條的情況。表4.1 為各成長溫度下鎳鐵膜 的晶粒大小及平均粗糙度。
圖4.2 鎳鐵成長於不同溫度下之 AFM (a)400℃ (b)500℃
表4.1 鎳鐵晶粒大小於不同成長溫度下之變化
100℃ 300℃ 400℃ 500℃
晶粒大小 10 nm 23 nm 30 nm 39 nm Roughness
average 0.16nm 0.22nm 0.38nm 0.20nm
4.1.2 XRD 量測分析
利用X-ray繞射分析的參數條件為施以電壓 40KV、電流 40mA的能量來激發 銅靶，掃描速率為0.5°/min，並於每 0.05°量測一點。由圖 4.3 之XRD得到的結果，
發現在角度為77.10°時出現了V為bcc(211)的繞射峰，而在 2θ = 41.36°的位置有 一小繞射峰並非是Bragg峰，這是由於堆積錯誤(stacking faults)造成局部無序的結 果，此結果與文獻[24]相同。因此可知在V為種子層時，藉由溫度的改變來成長
鎳鐵膜並不會產生其他的晶相。此外在2θ角度為 33.07°時有一小繞射峰，此為 Al2O3(
1 1
_00
)空基板的訊號 。20 30 40 50 60 70 80
Intens ity (cps)
2 theta (degree)
Al2O3(1-100) / V / NiFe
500C 400C 300C 100C Al2O3
圖4.3 Al2O3 (
1 1
_00
) / V(200Å) / NiFe(116 Å) 的X-ray繞射結果4.1.3 MOKE 量測分析
由結構上的討論可知在 NiFe 合金薄膜之主要結構為(211)，並且其薄膜成長 方向是呈現往NiFe[0-11]的方向，並對此做 LMOKE 的量測來觀察其膜面與外加 磁場變化方向之間的關係。而根據式(5)可知，當鐵磁性層的厚度非常薄時，其 有效總磁異向性可以忽略掉塊材所貢獻的磁異向性常數，而只考慮表面磁異向性 常數。圖4.4 為在鎳鐵成長溫度為 100℃的時候，利用 LMOKE 的量測結果，其 中0°表示外加磁場的方向平行於鎳鐵膜晶體磁易軸之方向，90°表示外加磁場的 方向垂直於磁易軸之方向。當外加磁場方向與磁易軸方向平行時，其呈現出近乎 於一完整的方形曲線，亦即方正度高，此時的矯頑場為26Oe；在磁易軸與外加
磁場夾角為20°時曲線與矯頑場幾乎仍與 0°相同；30°後曲線則開始有了變化，
到了50°時其方正度為 0.83；70°時磁滯曲線呈現明顯的斜長形，矯頑場也因為拉 長的關係而增加到57Oe，方正度則為 0.59；當外加磁場垂直磁易軸時，方正度 只剩下0.29。因此可以知道當鎳鐵的成長溫度為 100℃的時候就已經有開始往某 一方向成長狀的趨勢之外，其成長的方向也為磁易軸的方向，即往NiFe[0-11]的 方向，與之前所提到的磁晶異向性有所相關。
當鎳鐵成長溫度為300℃的時候，於外加磁場方向與磁易軸方向平行量測，
其也呈現出一方正度高的磁滯曲線，此時的矯頑場增加到41Oe。與 100℃相同 的是約為70°時磁滯曲線呈現出明顯的斜長形，並且在 90°的時候，方正度達到 最低，其值為0.15，如圖 4.5 所示。圖 4.6 和圖 4.7 分別表示鎳鐵成長溫度為 400
℃以及500℃時，其外加平行磁場於各個角度的磁滯曲線變化，兩者在 40°以前 的磁滯曲線方正度仍可在0.85 左右；於 50°時，500℃的方正度稍為較差，值為 0.57；而在外加場方向垂直於磁易軸時，方正度均為最差，表示此時同樣呈現出 有磁易軸和磁難軸的情況。表4.2 為 LMOKE 量測於各個溫度對應不同外加水平 磁場角度的矯頑場值。
表4.2 成長溫度對應不同外加水平磁場角度的矯頑場(Oe)量測
溫度
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
100℃ 26 31 32 31 32 34 39 57 72 48 300
角度
℃ 41 42 42 44 56 75 103 125 129 61 400℃ 50 50 51 51 51 56 54 47 36 26 500 ℃ 83 83 81 81 79 77 75 74 66 58
-300 0 300
Kerr Intensity (a.u.)
H (Oe)
deg0 deg10 deg20 deg30 deg40 deg50 deg60 deg70 deg80 deg90
圖4.4 NiFe(116 Å)成長溫度為 100℃時的 LMOKE 結果 Al2O3 (
1 1
_00
)/V(200Å)/NiFe(116 Å) 100℃-400 0 400
Ke rr Inte nsity (a .u.)
H (Oe)
deg0 deg10 deg20 deg30 deg40 deg50 deg60 deg70 deg80 deg90
圖4.5 NiFe(116 Å)成長溫度為 300℃時的 LMOKE 結果 Al2O3 (
1 1
_00
)/V(200Å)/NiFe(116 Å) 300℃-400 -200 0 200 400
Kerr Intensity (a.u.)
H (Oe)
deg0 deg10 deg20 deg30 deg40 deg50 deg60 deg70 deg80 deg90
圖4.6 NiFe(116 Å)成長溫度為 400℃時的 LMOKE 結果 Al2O3 (
1 1
_00
)/V(200Å)/NiFe(116 Å) 400℃Al2O3 (
1 1
_00
)/V(200Å)/NiFe(116 Å) 500℃-600 -400 -200 0 200 400 600
deg0 deg10 deg20 deg30 deg40
Kerr Intensity (a.u.)
H (Oe)
deg50 deg60 deg70 deg80 deg90
圖4.7 NiFe(116 Å)成長溫度為 500℃時的 LMOKE 結果
0 20 40 60 80 100 100℃的飽合磁化量為 3949 gauss，而在 300℃的飽合磁化量則上升為 4660 gauss，是因為於 300℃時鎳鐵的成長方向持續沿著，並且造成更多磁矩的排列方 向是沿著磁易軸的緣故。但在鎳鐵成長溫度為400℃時，其飽合磁化量降到 1848
gauss，這是因為在較高溫的時候，作為種子層的釩有些許的擴散到鎳鐵膜中，
導致鎳鐵合金的比例不再為原先的Ni80Fe20，故使得飽合磁化量驟降[25]。於 500℃成長的鎳鐵膜，飽合磁化量較 400℃時的略高，其值為 1930 gauss，推測是 由於其依然沿磁易軸成長且晶粒尺寸更大，相對使得因為釩造成擴散的影響變小 所致。
而在外加磁場方向垂直於磁易軸的部份，也呈現出與 MOKE 相同的變化。
在400℃與 500℃的時候，由於其磁化量降低，所以磁滯曲線受到雜訊擾動時容 易呈現較為粗糙的狀況。圖4.9～圖 4.12 為Al2O3 ( ) / V(200Å) / NiFe(116 Å) 的鎳鐵於不同成長溫度下所量測的VSM結果，0°表示外加磁場的方向平行於鎳鐵 膜磁易軸之方向，90°表示外加磁場的方向垂直於磁易軸之方向。表 4.3 為各個 樣品的面積、膜厚與飽合磁化量，其中在外加磁場平行磁易軸的時候所表現出的 方正度最好也較穩定。施加磁場垂直於樣品時之VSM，顯然的，在垂直方向上 是有遲滯的，表示樣品亦具有垂直磁異向性，尤其是300℃的樣品垂直方向上有 一個暫穩態，而300℃、400℃、500℃的樣品其垂直方向取得的Ms值較平行方向 來的低很多則是因為磁矩在垂直方向上需要更高的磁場才能使得樣品達到飽 合，但顯然的100℃樣品則不需要。
00 1 1_
表4.3 鎳鐵膜於不同成長溫度下所對應的數據
鎳鐵成長溫度 面積(cm2) 膜厚(nm) 飽合磁化量Ms(gauss)
100℃ 0.6878 116 3949.46
300℃ 0.6515 116 4660.77
400℃ 0.5437 116 1848.17
500℃ 0.4565 116 1930.69
表4.4 不同軟磁材料相應的磁性質[25]
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
Magneti zati on (emu/c .c)
Applied Field (Gauss)
deg0 (emu/cc) 100C
圖4.9 NiFe(116 Å)成長溫度為 100℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
Applied Field (Gauss)
deg0 (emu/cc) 300C
圖4.10 NiFe(116 Å)成長溫度為 300℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
-200
Applied Field (Gauss)
deg0 (emu/cc) 400C
圖4.11 NiFe(116 Å)成長溫度為 400℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
Applied Field (Gauss)
deg0 (emu/cc)
500C
在鎳鐵成長溫度為 300℃時，由圖 4.14 及對照其磁滯曲線圖 4.5，當於外加 場為150Oe 的時候，此時因為還未達到飽合場，因此磁區分佈仍很明顯，但由 MFM 訊號強度可知當施加磁場後 MFM 訊號開始下降，表示各磁區的排列整齊 度變好了，因此造成MFM 訊號下降。在 Mr 狀態之下，其有較佳的 MFM 對比 度且由圖4.14(a)可清楚看出有明顯的亮、暗及中間色澤的區域分佈，由於 MFM 主要僅能偵測到磁矩垂直膜面的貢獻，因此可判定300℃樣品在 Mr 狀態下應有 部分磁矩是垂直膜面朝上或朝下的狀態，而這應該也跟300℃樣品的垂直方向 VSM 訊號呈現一中間態有關。
圖 4.15 為鎳鐵成長溫度為 400℃時的 MFM 影像，在 Mr 狀態時也有較佳的 亮暗色澤對比，故同樣也有部份的磁矩是呈垂直膜面的狀態；隨著磁場強度持續 增加，大多數的磁矩已朝向磁場的方向，因此磁區的分佈也較不明顯。在500℃
之下，由圖4.16 所知，成長溫度為 500℃的時候，此刻因為晶粒變大且長條狀結 構更為明顯，也使得磁區擴大，並且磁場的增加也會使得磁區分佈排列度更好，
雖然150Oe 尚未達到飽合的磁場，但仍可看到由殘磁態到 150Oe 的磁區變化情 形。
圖4.13 鎳鐵成長溫度 100℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe
圖4.14 鎳鐵成長溫度 300℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe
圖4.15 鎳鐵成長溫度 400℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe
圖4.16 鎳鐵成長溫度 500℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe