薄膜成長理論

(1) Layer-by-Layer(Frank-van der Merwe mode)：

當薄膜原子與基板表面原子的交互作用強度大於薄膜原子之間的強度時，就 會形成此種成長模式(層接式)，薄膜原子與基板表面原子交互作用的強度會隨著 薄膜的厚度增加而減少。

(2) Island(Volmer-Weber)

薄膜內部原子間的作用力大於薄膜與表面原子的交互作用力時，即會形成島 狀的成長模式。

(3) Layer-plus-island(Stranski-Krastanov)

會形成層島混和成長模式大致上有幾種可能，薄膜與基板的：晶格匹配度、

不同的對稱性等等…薄膜形成之初會以層接式的方式成長，而後便以島狀成長模 式成核及結晶。如圖 2.17

圖 2.17 薄膜磊晶成長模式

在物理機制上還有一些原因會造成薄膜成長的方式不同，基板的溫度與結構、蒸 鍍時的速率與溫度、蒸鍍材料的入射角度、蒸鍍材料與基板間的表面自由能等 等…

讓我們從晶格匹配度來看對薄膜成長的影響[24]，晶格的不匹配會讓薄膜成 長初期造成應力的累積，當應力累積到一定程度時，能量便會開始釋放並導致界 面產生缺陷。一般而言定義 為晶格不匹配度(lattice mismatch)。

基板原子的晶格常數 吸附原子層的晶格常數

拿實驗室的例子來說，吸附原子層鈷(0001)的晶格常數為 250.71 pm，基板 原子層高定向熱解石墨(0001)的晶格常數為 246 pm，代入式子計算得晶格不匹配 度大約為 1.9 ，可見 Co(0001)/HOPG(0001)系統薄膜成長模式頃向層接式或層 島混和模式。

2.6 量子穿隧效應

在本實驗中研究磁性薄膜的表面形貌所利用的工具是：掃描穿隧式電子顯微 鏡(Scanning Tunneling Microscope,STM)，它的工作機制原理就是量子穿隧效應。

我們知道在古典力學中，當一個運動粒子的能量E低於位能障礙U時，粒子是不

第三章 實驗儀器

3.1 掃描穿隧式電子顯微鏡系統(STM system)

實驗室的掃描穿隧電子顯微鏡系統(型號：USM 1000 廠商：UNISOKU)。

圖 3.1 掃描穿隧電子顯微鏡系統

掃描穿隧式電子顯微鏡系統中進行的實驗都是處在超高真空環境底下，壓力大約 在 torr。

抽氣過程：先透過機械幫浦把腔體環境抽到 mbar，再開啟渦輪幫浦進到超 高真空環境。

蒸鍍槍：由實驗室自己製作的鍍槍，用來蒸鍍磁性材料(鐵、鈷、鎳、等等 )。

離子濺鍍槍：讓氬氣體離子化，轟擊樣品表面達到清理的效果、或者實驗上的需 求想要了解轟擊過後與沒轟擊之區別。

3.1.1 掃描原理

利用金屬探針(鎢)靠近至樣品表面約 1nm 左右時，我們在樣品加上偏壓，因 此產生穿隧電流(量子穿隧效應)，其電流值大約幾奈米安培(nm A)，藉由量此穿 隧電流的讀值以及在有回饋機制的情況下，可以使探針在選取的範圍內進行掃描 的動作。過程中 Z 軸方向的伸縮量和沿著 X、Y 軸來回掃描就能夠劃出樣品的表 面形貌圖形。如圖 3.2。

圖 3.2 掃描穿隧電子顯微鏡掃描工作流程圖

如圖 3.3 得知探針與樣品距離的微小變化，會造成穿隧電流很大的變化，距離變 化 0.1 奈米，穿隧電流變化可達到 10 倍之多。

3.1.2 儀器構造

針座

如圖 3.4，P2 與 P7 的 A 電極即是接收穿隧電流的地方，一者在針座鎖上針座台 的螺紋上、另一者在針座台的底部，透過電極與傳輸線連接到控制器，就能在電 腦上看見樣品的表面形貌。

圖 3.4 掃描穿隧電子顯微鏡真座構造

掃描平台

如圖 3.5，我們在樣品加上偏壓，再讓步進器進行進針的動作，探針就會開始慢 慢的接近樣品表面，直到量測到我們給定的穿隧電流值大小，步進器就會停止前 進，完成進針的工作。

圖 3.5 掃描穿隧電子顯微鏡掃描平台

線路架構

如圖 3.6[29]，線路配置主要連接於腔體背部與控制器、電腦，竟而形成一個掃 描的工作網。電腦輸出指令後透過數位訊號處理器(DSP)的轉換，再由放大電路 控制器(Amplifier circuit)的接線連接到腔體背部的電極，下達我們想要腔體內部 的工作。掃圖的時候也是一樣的，量測穿隧電流值透過線路傳回放大電路控制器，

再經由數位訊號處理器的轉換給電腦數據，就能得到樣品的表面結構圖形。

圖 3.6 掃描穿隧電子顯微鏡線路架構

圖 3.7 掃描穿隧電子顯微鏡電極配置表

3.1.3 操作流程

UNISOKU USM 1000 介面控制程式

圖 3.8 掃描穿隧電子顯微鏡介面控制程式

圖 3.9 掃描穿隧電子顯微鏡介面掃圖模式

圖 3.10 掃描穿隧電子顯微鏡介面示波器模式

3.1.4 實驗步驟

(1)（STM 主腔體準備與設置）

1.把彈簧桿子往後旋轉並確認掃描機台處於懸吊狀態 2.P1、P3、P4、P7 每個 Pin 角線路已接上

3.確認光學桌已在懸浮狀態

(2)（STM 控制器準備與開啟）

1.打開電腦

2.打開 STM 控制器(電源供應器部分)

3.當放大電路控制器指示燈(橘燈)消失之後再開啟數位訊號處理器(DSP)電源 4.開啟桌面上 STM 的軟體程式(Unisurface alpha)

(3)（軟體設置）

3.2 鍍膜系統(Depostion system)

圖 3.11 鍍膜系統

透過鍍膜系統可以成長一些我們有興趣的樣品。因為不在超高真空底下做 物理、化學性質的量測，所以製備樣品起來相當有效率。利用成長好的樣品，便 可供我們拿去做磁性、表面形貌的量測 等等。

離子濺鍍槍：以基板矽(111)為例，先讓氬氣體離子化，再轟擊矽表面把氧化層給 清理掉。

樣品加熱電極：透過供給電極、線路能量，可讓樣品進行加熱，來達到我們需要 的合金介面層。

高壓電源供應器：在鍍原材料上給於正高壓，使鍍槍上的燈絲經熱游離出來的電 子有效率的打在鍍原上，因而蒸鍍出想要的材料。

Keithley 三用電表：在整個蒸鍍槍的迴路系統中，並聯上一台三用電表，能夠更 精細的控制鍍膜速率。

離子壓力計：觀察壓力計顯示的讀值，可以曉得腔體內目前的壓力值。

3.3 磁光柯爾效應系統(MOKE System)

圖 3.12 磁光柯爾效應量測系統

3.3.1 磁光柯爾效應理論

當一個線偏振入射光打到一磁性薄膜時，其反射光的偏振態會變成橢圓偏振；

這是因為我們外加一磁場於磁性物質上磁化，會使其本身的折射率產生雙折射現 象，即右旋折射率與左旋折射率不再相同，這就稱為磁光柯爾效應。依此橢圓偏 振光之旋轉角，即橢圓長軸和參考軸之夾角，稱之為柯爾旋轉角 ，與橢圓偏 振光的橢圓率 ，稱之為柯爾橢圓率。[30 35]

圖 3.13 磁光科爾效應

磁性物質在外加磁場下會產生雙折射現象與反射光之偏振態改變，是因為磁

（ ），因為柯爾旋轉角很小，因此在反射光在 S 波方向的分量遠小於在 P 波方向上的分量，所以 ，此時的反射光強度 I 可以用下列式子表示之：

I

其中 是光偵測器所量測到未磁化樣品之反射光強度。

移項整理過後得：

由上式可知 與反射光強度變化 成正比，所以我們在實驗上是以反射光強度變 化來代表柯爾旋轉角的變化，因此只要將強度變化 與外加磁場作圖就能得到磁 滯曲線。如果要量測柯爾橢圓率 時，只需要在檢偏器前方放置一個四分之一玻 片，能夠產生 的相位差，所以檢偏器看到 i i ，而不是

，因此訊號為柯爾橢圓率。

依照磁化方向和入射面的關係，磁光柯爾效應可以區分為三種型態：

圖 3.14 三種型態的磁光柯爾效應

3.3.2 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)。

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)。