物質的磁性與電性一直是科學家極感興趣的自然現象之一，而多 鐵性材料，這類材料的結構中，允許存有多個長程有序性，如極化與 自旋的雙重有序排列，使材料可同時具有鐵電性 (或反鐵電性) 與鐵 磁性 (或反鐵磁性)。也就是說，多鐵材料有著電域與磁域共存之特 性，這些性質一般具有某種程度的耦合，可以互相控制與觸發。此對 於現代文明的元件微型化有很好的發展空間。
在多鐵材料中，鐵酸鉍是少數於室溫便同時具有鐵電與反鐵磁特 性的材料之一，其高居里溫度與高尼爾溫度，有應用於光電元件的潛 力。2003 年，J. Wang 團隊將鐵酸鉍成長於鈦酸鍶基板上[1]，厚度 約為 50 ~ 500 nm，鐵酸鉍成長平陎的晶格常數 (a = 3.96 Å ) 大於鈦 酸鍶基板成長平陎的晶格常數 (a = 3.901 Å )，屬於壓縮應變。鐵酸鉍 於磊晶時受到擠壓，使得成長平陎的晶格常數縮小約 0.025 Å ，且 c 軸方向的晶格常數有拉長的行為，此晶格的壓縮應變，使得鐵酸鉍薄 膜擁有極大的自發電偶極矩，使其具有優秀的強壓電特性，如圖 1.1 所示；另一方陎，作者量測鐵酸鉍薄膜的磁化強度與外加磁場的關係 圖，觀察到磁滯曲線，如圖 1.2 所示。在鐵酸鉍塊材中，不同平陎 自旋間夾角不是完美的反平行 (G-Type 反鐵磁序)，存在一微小的鐵
磁矩分量於 ab 平陎，但由於鐵酸鉍塊材具有旋線型的自旋排列，壓 抑此微弱的鐵磁特性，無法觀察到鐵酸鉍塊材的磁滯曲線。鐵酸鉍薄 膜則因受到磊晶壓力，破壞旋線型的自旋排列，使鐵酸鉍薄膜於 ab 平陎上存在的微弱鐵磁特性被觀察到。隨著厚度的增加，壓縮應力的 影響減低，鐵酸鉍薄膜 c 軸長度、極化強度與磁化強度也逐漸減小，
鐵酸鉍薄膜的特性也越接近塊材的行為。2009 年，R. J. Zeches 與朱 英豪教授團隊成長鐵酸鉍薄膜於不同基板上[2]，發現隨著晶格不匹 配度的上升，壓縮應力隨之增加，c 軸與 a 軸的比值逐漸上升，使 得鐵酸鉍的晶格結構從菱形晶系轉變成單斜晶系結構，如圖 1.3 所 示。
2006 年，Kouhei 團隊將鐵酸鉍長在 LSAT 基板上[3]，厚度約 為 200 nm，實驗裝置如圖 1.4 所示。Kouhei 團隊利用脈衝雷射 (波 長為 400 nm)，照射在鐵酸鉍薄膜上激發出光電子，在外加電壓下，
由於鐵酸鉍薄膜的強壓電特性，使內部產生電場，加速被激發的光電 子，成功發射出兆赫波。兆赫波頻率屬於轉動與振動能階範圍，能有 效的辨別不同有機物，包含毒品，藥物甚至爆裂物，如圖 1.5 所示[4]。
傳統上，使用化學方式來檢測物質，若能利用鐵酸鉍薄膜作為兆赫波 波源，以物理光學非接觸性且非破壞性的方式做檢測，檢測時間可以 大幅縮短，也更加安全。
本論文研究鐵酸鉍成長於不同基板，其光譜性質的改變與物理特 性的關聯性。本論文的其他章節內容大綱介紹如下：第二章為研究背 景，簡單回顧鐵酸鉍塊材的基本性質，並簡介鐵酸鉍薄膜近年來的研 究結果。第三章為實驗儀器設備與其基本原理，包含光柵式分光光譜 儀、顯微拉曼散射光譜儀以及實驗光譜數據之理論分析模型。第四章 為實驗樣品特性，介紹樣品的製程方式，晶格結構，與重要的物理特 性。第五章為實驗結果與討論，研究不同結構鐵酸鉍的穿透光譜與拉 曼散射光譜，並觀察低溫電子結構與高溫晶格結構的變化。第六章為 結論與未來展望。
圖 1.1 鐵酸鉍薄膜成長於鈦酸鍶基板之電滯曲線圖[1]。
圖 1.2 鐵酸鉍薄膜成長於鈦酸鍶基板之磁滯曲線圖，藍色為成長平 陎，紅色為 c 軸方向。插圖為 c 軸長度與磁化強度對薄膜厚度關係 圖[1]。
圖 1.3 鐵酸鉍薄膜成長於不同基板之 c 軸與 a 軸比值對晶格不 匹配度關係圖[2]。
圖 1.4 (左) 利用脈衝雷射，在外加電壓下，振盪光電子輻射出兆赫 波 (右) 砷化鎵光電偵測器[3]。
圖 1.5 兆赫波影像不同藥物之成像圖[4]。