薄膜製備與基本特性量測

3-1 樣品晶格分析

在製備薄膜樣品之前，先選擇適合的基板 (substrate)，使得基板的晶格常數與樣品的晶格常數匹配最好，如此才能夠成功的成長出高品質的薄膜樣品。

在這個實驗中所要成長的龐磁阻樣品La

_0.7

_0.3

MnO

₃

為鈣鈦礦結構，結構如圖2-2 所示。常用的基板晶格常數資料如下：

Crystal type a(Å) b(Å) c(Å)

_0.7

_0.3

MnO

₃

Perovskite 5.45 5.46 7.72 NGO(110) orthorhombic 5.44 5.5 7.71 LAO(001) cubic 3.82 3.82 3.82

STO(100) cubic 3.901 3.901 3.901

表3-1 基板晶格常數表

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

3-2 薄膜蒸鍍步驟

實驗室是透過脈衝雷射蒸鍍法PLD (Pulsed laser deposition)來成長所需的薄膜樣品，所使用的脈衝雷射為KrF準分子雷射(Lambda Physika

Lextra200)，波長為248 nm，脈衝寬度約20-30 ns，雷射脈衝使用的重複率及雷射能量密度分別為5 Hz 及 3-5 J/cm

²

，雷射鍍膜真空腔體構造如圖3-2 所示，雷射光先經一長方型限光器擷取中央較均勻之光源，再由過反射鏡導光至真空腔內，進入真空腔之光學鏡為一凸透鏡，使雷射光聚焦在靶材上，利用馬達旋轉鈀材，調整好雷射光入射的適當角度使靶材表面被雷射光瞬間蒸發，噴發出的物質可以均勻的蒸鍍在基板thermal couple的位置上，以確保溫度的正確性，藉此成長出我們要的薄膜樣品。另外，雷射源至真空腔的光徑是由Nd-YAG Laser 的可見綠光來進行校準：先使可見綠光經過KrF準分子雷射共振腔的兩片反射鏡鏡心，以確定其光路與KrF準分子雷射光的光路相同，再調整綠光由KrF 準分子雷射腔體射出後的光徑，便可知KrF 準分子雷射射出後至真空腔的光徑。

雷射鍍膜步驟如下:

1. 清洗基板：將基板依序置入丙酮、甲醇、去離子水 (D.I water)的燒杯中，

用超音波震盪清洗各約5 分鐘，如此重複三次，最後再用氮氣槍噴乾，

這是為了確保薄膜成長的品質，所以必須把薄膜所要成長的環境先確保

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

是否乾淨。其中丙酮用於去除基板上的有機物和殘餘物，甲醇用於清除基板上的殘餘丙酮，去離子水用於清除基板上殘留的甲醇。

2. 黏貼基板：用高溫銀膠將基板黏貼於已經磨研好的不銹鋼板上並烤乾，

使用銀膠目的除了可使基板附著於加熱基座上外，亦因為銀是良好的熱傳導體，可將加熱基座上的溫度較均勻地傳導至基板上。黏貼基板過程必須仔細用牙籤將氣泡壓出，避免於加熱時基板與鋼板間的氣泡膨脹導致基板脫落。最後以氮氣槍吹去表面細塵再將黏貼好的基板置於加熱器上加熱120℃左右烘烤十分鐘，以除去銀膠內的有機溶劑，避免在鍍膜過程中污染基板，並增加銀膠的黏著效果。

3. 將烤乾的基板及靶材置入真空腔內，並將熱電偶插入鋼板內，對好光之後，把氧氣噴嘴調整到適當的位置之後就可以透過機械幫浦及渦輪幫浦將真空度抽至約10

^-7

torr。

4. 升溫：開啟加熱器，第一階段15

^o

C/min 將溫度從室溫升至 120

^o

C，持溫一分鐘，第二階段 30

^o

C/min 將溫度接著升到鍍膜溫度，接著通入氧氣至鍍膜氧壓後，開啟靶材旋轉馬達便可開始鍍膜過程。

5. 雷射蒸鍍條件如下：脈衝重複率5 Hz 、雷射功率 350 mW、脈衝雷射次數6000 pulses。

6. 蒸鍍完成後關閉加熱器，並通入大量氧氣至溢出真空腔體，用淬冷方式 (quench)降溫。降溫完成後取出樣品，完成蒸鍍過程。

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

圖3-2 脈衝雷射蒸鍍系統示意圖

圖3-3 脈衝雷射蒸鍍真空腔

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

3-3 薄膜基本特性量測與分析

當樣品蒸鍍完成後，我們透過幾種基本特性的量測來判斷薄膜樣品的品質，在本實驗中，透過X光繞射 (X-ray diffraction，XRD)來分析樣品的晶格結構；電阻－溫度關係量測、磁化強度－溫度關係、以及原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope，AFM)來探測薄膜表面平整度等。

3-3-1 α-step

在鍍膜時，將我們所要鍍膜的基板用廢棄的基板蓋上一個範圍，

大約2~3mm，再以 α-step 量測薄膜的厚度。樣品的膜厚大約 250nm。

步驟如下:

(一)打開α – step(須暖機 20 分鐘)，關機則可以直接關即可。

(二)螢幕方向實際方向

圖3-4 α-step 轉盤示意圖(順時針轉增加斜率，逆時針減少斜率) (三)將sample 放在平台，旋轉至探針底下，按

PRGM Î 1~9 皆可

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

ÎScan length：300~500μm ENTER Î

speed：選擇 Medium 即可 ; 選擇 Low 會較仔細 Îprofile：平均波形

ÎMeasure Rang：解析的最大值設為 65KÅ 即可 Îstylus Force(探針力道)：2~3mg

ÎFun+9+7 出現探針位置 Î△▽ 下針Î調整探針位置

ÎscanÎFun+4+5 看 slop (需要<0.01) 因此要增加或減少斜率以求水平。

形出來以後，按 REF 和 MEAS 移動調整

(四) 圖參考平衡(最好設基本平

面)，等斜率<0.01 後，按|V|重現圖形。

PS:

ile Type：掃描之後顯示的圖形

（建議使用）。

只只

Prof

a. ：適合任何高低起伏的形狀 b.：適合掃凸起物。

c.：適合掃凹下物。

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

3-2 X 光繞射 (X-ray diffraction，XRD)

品的晶格結構及軸向。

(3-1) 其中

度(θ)，可由0⁰掃到45⁰，而偵測器的角度(2θ)則可由 0⁰掃

利用X-ray晶格繞射，可以檢視所製備之薄膜樣

本實驗室的X-ray繞射分析儀是RIGAKU薄膜繞射儀，其放置樣品固定座之垂直軸與X-ray入射光之夾角θ，而偵測器可隨θ角的轉動而作2θ的改變。

X-ray入射進入有週期性排列的樣品時，若條件符合布拉格(Bragg)的繞射原理時，就會產生建設性干涉，而在偵測器接受到一繞射峰值信號：

2dsinθ= nλ Eq.

d為繞射晶格與薄膜表面平行的晶格平面間距；

θ為X-ray與樣品之間的夾角；

λ為入射光波長；

n為正整數。

系統入射光的角

到 90⁰，再將所得到的繞射強度對角度的關係圖，比對資料庫之各材料繞射強度資料，即可知道樣品的晶格結構。

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

3-3-3 電阻－溫度關係量測 (R-T Dependence)

如圖3-6，包括低

uid Helium Refrigerator )

KEITHLEY 220 PROGRAMMABLE

溫度計（Silicon Diode Thermometer）、控溫器實驗室以四點量測法來量測樣品的電阻值，系統裝置

溫、真空、電性量測、控溫及電腦五大系統：

1. 低溫系統：閉路液氦冷凍機( Closed Cycle Liq 2. 真空系統：真空式機械幫浦

3. 電性量測系統：電流供應器（

CURRENT SOURCE）、多功能電錶（HEWLETT PACKARD 34401A MULTIMETER）。

4. 控溫系統：二極體

（LAKE SHORE DRC-91CA CONTROLLER）。

5. 電腦系統：GPIB 卡、LabVIEW 軟體及電腦。

22.4 23.1 23.8

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

圖3-6 四點量測系統

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

透過電阻與溫度關係量測，我們可以得知樣品的傳輸特性，圖3-8 為 LCMO (X=0.3)薄膜樣品成長於 NGO 基板上的電阻與溫度關係相圖，由相圖上可得到在降溫過程中電阻本來隨著溫度下降而上升，此為絕緣態；而到一特定溫度時，電阻突然開始驟降，此時為金屬態。此絕緣轉金屬相變的溫度稱為Tc。

-25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325

0 50 100 150 200 250 300 350

Tc=254 K

LCMO/NGO 760

⁰

C

sample7

R ^es

ist an c e( Ω )

Temperature(K)

(Cooling down) Resistance (Ohm)

圖3-8 LCMO (X=0.3)/NGO 的 RT 圖

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

Device ; SQUID) 來量測磁化強度跟溫度關係，量測溫度從300K至30K，

加的磁場為0.1T，結果如圖3-9所示。

LCMO with substrate

圖3-9(a) LCMO 未扣除基板訊號的 MT

LCMO without substrate

圖 3-9(b) LCMO 已扣除基板訊號的 MT

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

LCMO without substrate

1/M(emu

-1

)

LCMO/NGO 760

⁰

sample7

(Cooling down) Resistance (Ohm)

M( emu)

Tc=254 K

圖 3-9(d) LCMO RT 與 MT 圖

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

3-3-5 原子力顯微鏡 ( Atomic Force Microscope )

自1980年代Binnig 和Rohrer 發明了掃描穿隧顯微術後，一系列的掃描探針技術便隨著衍生出來。這類顯微術的特徵是，將一根微小的懸臂 (cantilever)固定在一端，另一端由尺寸極細微的探針(tip)接觸樣本的表面進行掃描，藉以了解其表面形貌與結構。原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）便是其中的一種，其原理是利用XY軸壓電移動平台，以其探針原子與樣本表面原子之間不同的作用力做為回饋，控制探針在Z軸方向上的位置，主要可以分為以下三種不同的操作模式：

a. 接觸式（contact mode）

在接觸式的操作模式之下，探針與樣品表面的作用力為原子之間的排斥力（repulsive force）。由於在接觸式操作模式下，探針與樣品之間的距離最短，約幾個奈米，所以得到的解析度最佳，亦最接近真實的表面形貌為其優點。但是由於針尖尺寸極小，近距離的接觸容易造成樣品的損壞，此為其缺點。

b. 非接觸式（non-contact mode）

由於接觸式掃描有可能造成樣品的損害，其後便發展出非接觸式的掃描模式，以避免此現象的發生。非接觸式掃描是拉大探針與樣品之間的距離，約10~100奈米，利用探針與樣品之間的凡德瓦爾力（van der Waal force）做為回饋，藉以做表面非破壞性的量測。不過由於探針與樣品

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

彼此的距離較大，使得非接觸式的解析度約略小於接觸式的掃瞄模式。

c. 輕敲式（tapping mode）

輕敲式掃瞄為非接觸式的掃瞄的改良，主要是震盪探針，利用受力場梯度對探針震幅變化的關係，控制探針與樣品表面的間距，藉以掃瞄出表面形貌分佈，其探針解析度約為20奈米，與接觸式掃描法比較，

雖然其解析度較低，但探針對於樣品的損害將大為降低。

本論文用的樣品是以此種模式來進行表面形貌的掃瞄；原子力顯微鏡工作原理如圖3-10所示及探針尖端做掃瞄式電子顯微鏡(SEM)影像如圖 3-11(a)、(b)所示。

圖3-10 原子力顯微鏡工作原理

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

圖3-11(a)、(b) 探針尖端 SEM 影像

從實驗結果來看，以下的圖3-12 (a)、3-12 (b)、3-12 (c)、3-12 (d) 、3-12 (e)，分別為La

0.7

0.3

MnO

3

/NGO(110)在原子力顯微鏡（AFM）下的圖形結果，我們可以看出樣品的平整度還算不錯，而且也相當的均勻。

Line 2

Line 1 Line 3

圖3-12 (a) La

_0.7

_0.3

MnO

₃

樣品表面AFM圖

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

0 1000 2000 3000 4000 5000

第三章薄膜樣品製備及基本特性分析

圖3-12 (e) La

_0.7

_0.3

MnO

₃

樣品表面AFM 2D圖

在文檔中利用飛秒激發探測光譜量測鑭鈣錳氧薄膜中的相干極化子 (頁 33-52)

3-1 樣品晶格分析

0.7

0.3

3

0.7

0.3

3

3-2 薄膜蒸鍍步驟

2

-7

o

o

o

3-3 薄膜基本特性量測與分析

3-3-1 α-step

ile Type：掃描之後顯示的圖形

Prof

3-2 X 光繞射 (X-ray diffraction，XRD)

3-3-3 電阻－溫度關係量測 (R-T Dependence)

Tc=254 K

LCMO/NGO 760

C

R es

ist an c e( Ω )

Temperature(K)

LCMO with substrate

LCMO without substrate

LCMO without substrate

1/M(emu

)

LCMO/NGO 760

M( emu)

Tc=254 K

3-3-5 原子力顯微鏡 ( Atomic Force Microscope )

0.7

0.3

3

0.7

0.3

3

0.7

0.3

3

_0.7

_0.3

₃

_0.7

_0.3

₃

²

^-7

^o

^o

^o

R ^es

_0.7

_0.3

₃

_0.7

_0.3

₃