5-1 薄膜磁性

5-1-1 磁性測量

對於摻雜Mn離子的樣品，最重要的就是磁性的量測，因此使用超導量子 干涉磁量儀（superconducting quantum interference device，SQUID）針對四個 不同樣品在室溫下的M（H）曲線圖。發現只有在溫度700℃以及氧壓10^-3 torr 成長的樣品會才出現磁滯曲線，其他的樣品皆為順磁的現象，而為了確認這樣 的磁滯曲線的確是來自於樣品的磁性，因此我們重複成長相同條件的薄膜，可 以發現也是相同的出現磁滯曲線，且觀察他們的矯頑力（coercivity，Hc）皆 大約在50 Oe左右，如圖5-1所示。而第二次量測的飽和磁化率較第一次量測來 的大的原因是因為第一次測量是我們只將磁場上升至2000 Oe，而第二次我們 則是將磁場上升到10000 Oe，上升到較高的磁場有助於讓所有的電子自旋方向 轉成同向，所以才會讓飽和磁化量變的比較大。

除此之外，我們測量了未摻雜Mn離子的樣品在室溫下的M（H）曲線，可 以看出在此類樣品中即使是在相同條件下成長的薄膜並無發現磁滯的現象。故 之我們特別感興趣的是為何由此可以發現以PLD在溫度為 700℃氧壓為

10^-3torr的條件下製備樣品的確可以製備出具有室溫鐵磁性的半導體，且這樣的

實驗是具有重複性的。因為並無任何鐵磁性在未摻雜的薄膜中顯現，顯示薄膜 的磁性來源並與摻雜Mn離子有關。

5-1-2 磁性來源

由於室溫鐵磁特性是本實驗的主要研究目標之一，因此在此節我們將進一 步深入討論在溫度為700℃氧壓為 10^-3torr的條件下製備的薄膜中鐵磁特性的 形成原因。

磁滯曲線的出現，第一個需要確認的就是磁性來源是否是由Mn原子團所 造成的。首先，我們利用X ray近邊緣結構吸收光譜（XANES）先確認摻雜的 Mn離子的價數，圖 5-2 是樣品in plane的電子結構，與標準試品MnO（Mn²⁺）、

Mn₂O₃（Mn³⁺）和MnO₂（Mn⁴⁺）的Mn L edge X ray 吸收光譜近邊緣結構（X ray absorption near edge structure，XANES）光譜比較，由圖中可以發現Mn的價數 是＋2。而樣品中的Mn²⁺推測有兩種可能存在的形式：1﹒以MnO的原子團形 式存在於晶體的間隙；2﹒Mn²⁺成功地取代晶體中Zn²⁺的位置，這兩種情況都 會影響樣品的磁性。由表5-1[2]，分別列出不同錳氧化物的磁性種類以及所對 應的Curie temperature（T_C）或者Néel temperature（T_N），從表中可以發現只 有Mn₃O₄才具有鐵磁性，且要在46K以下的低溫才會有磁滯的現象，而MnO則 是反鐵磁性，故可推翻第一個可能性，再加上樣品是在室溫下做的測量，也不 可能是Mn₃O₄造成的，由此便可排除我們量測到室溫下的鐵磁性是由Mn原子

團所形成的可能性。但從圖5-1 我們可以確認的確是因為Mn離子的摻雜才有 磁性的出現，因此我們可以得出結論：Mn離子的摻雜造成了樣品磁性的存在，

而且所摻雜的Mn離子的價數為＋2，因此可以推論它有較大的可能性是成功取 代Zn離子的。圖 5-2 中，出現了小尖峰（圖中以*標出），可能是由於樣品內 的Mn離子數含量過少，而使得收到的訊號太弱，易受到光源出光不穩等因素 影響所造成的干擾訊號。

-2000 -1000 0 1000 2000

-8.0x10^-6 -4.0x10^-6 0.0 4.0x10^-6 8.0x10^-6

M a gnetic monen t( emu)

Field(Oe) at 300K,Hc=50Oe

Mn-doped(curve1) Mn-doped(curve2) intrinsic

圖5-1 室溫下有摻雜 Mn 離子與 intrinstic 的 M（H）曲線。

635 640 645 650 655 660

Photon energy(eV) Mn

*

*

700

C/10

torr

*

Mn

Mn

Total el e c tro n ye ild

圖5-2 Mn：ZnSnO₃電子結構，與MnO、Mn₂O₃和MnO₂的Mn L edge XANES 光譜比較。

表 5-1 不同的錳氧化物所對應的 Curie temperature 以及 Néel temperature。[2]