第四章 實驗結果與討論
4.2 AAO/NiFe
4.2.2 SEM 量測分析
圖 4.18 為於 AAO20 基板上濺鍍不同秒數的鎳鐵薄膜之 SEM 影像圖，拍攝 角度為與膜面夾角70 度，時間分別是(a)30sec、(b)60sec、(c)120sec、(d)180sec、
(e)360sec 以及(f)720sec。由圖 4.18(a)可知，我們在 AAO20 的基板上發現到在濺 鍍鎳鐵30 秒的時候，有原子聚集產生團簇的現象，但大部份的孔洞仍然清晰可 見，經由SEM 影像圖所附註的尺規可以知道此時的晶粒大小大約為 11.1nm，此 時原本預期會出現的獨立奈米柱狀結構則因為AAO20 孔洞旁的 corner regions 和 interpore regions 較小，因此較容易有互相連接的狀況。此情況在 60 秒及 120 秒 時仍然可以觀察到，並且孔洞有越來越小的趨勢，表示隨著膜厚的增加，鎳鐵膜 逐漸由網格狀變成整片連續膜，並且原先AAO20 的孔洞因為鎳鐵粒子往上堆積 並且晶粒逐漸變大，因此造成孔洞變小，如圖4.18(b)、(c)所示。在 180 秒時，
此時的膜厚已經增加到38.7nm，晶粒大小約為 27.63nm，並且已經幾乎看不到原 本AAO20 的孔洞。當濺鍍時間增加到 720 秒的時候，可以看出此已完全形成連 續膜，並且晶粒的大小也增加到了90.8nm。因此可知當濺鍍秒數少時，原本預 期可以看到鎳鐵會先以corner regions 和 interpore regions 來做堆積成長奈米柱狀 結構的地方並不明顯，由圖4.18(a)~(c)僅能看出當 NiFe 成長後除了直接長在 AAO20 上，而且這些長上去的 NiFe 很容易又形成類似團簇的結構散佈在 AAO20 表面，形成部分區域看得到AAO20 孔洞，部分僅看到 NiFe 團簇，這是由於在 拍攝時放大倍率後並無法得到清晰的影像，並且AAO20 的孔洞小密度高，其周 圍的corner regions 和 interpore regions 面積小，以至於無法清楚的觀察到獨立的 奈米柱狀結構。
(a) NiFe 30sec (b) NiFe 60sec
(c) NiFe 120sec (d) NiFe 180sec
(e) NiFe 360sec (f) NiFe 720sec 圖4.18 不同秒數之鎳鐵濺鍍於 AAO20 上之 SEM
接著我們在 AAO200 的基板上發現到在濺鍍鎳鐵 30 秒的時候，由於秒數 少，雖然corner regions 和 interpore regions 較 AAO20 的為大，但大部份的區域 仍然只有零星少數的鎳鐵原子有附著上去，並且由於吸附的原子不處於熱平衡狀 態，所以能夠利用剩餘能量在基板上移動並反應結合成更大的核團，此時尚未有 柱狀結構產生，如圖4.19(a)所示。在濺鍍時間為 60 秒時，已經可以看到有些許 柱狀結構開始沿著corner region 成長，此時的膜厚約為 12nm。接著，當時間為 120 秒時，核團持續成長並在 corner region 處形成近似奈米微粒狀的結構 (nanoparticle-like)，此時很明顯的可以看到似獨立奈米柱狀結構形成，如圖 4.19(c)，而且晶粒大小大約為 25.3 nm，膜厚為 24nm。於 180 秒時，奈米顆粒直 徑變大，且在interpore region 處的核團也長大成奈米粒狀，這些獨立柱狀結構開 始有互相連結而形成networks 的趨勢，這時孔洞的大小仍尚未有變小的情形，
如圖4.19(d)所示。到了 360 秒的時候，此時的 networks 已經非常清楚，並且鎳 鐵的晶粒大小約在35.5nm 左右，膜厚為 72nm，AAO200 的孔洞有開始逐漸變小 的趨勢。濺鍍時間達到720 秒時，corner 和 interpore region 處的顆粒聚結成連續 的網狀結構，類似甜甜圈的形狀，如圖4.19(f)所示，並且晶粒的大小也增加到 84.9nm，膜厚則是 144nm，而孔徑也隨奈米顆粒的變大而縮小。由此可知在 AAO200 為基板的狀況之下，由於孔洞大，corner regions 和 interpore regions 的
面積也較大，所以形成獨立奈米柱狀結構的情形可以清楚易見，而成長的膜厚增 加使得晶粒也會變大，造成networks 的孔洞慢慢變小，可以預期的是若再將濺 鍍時間拉長，最後仍會如同AAO20 相同形成一連續膜。因此我們可以利用圖 4.20 來表示鎳鐵薄膜成長於AAO200 基板上的成長機制[18]。
(a) NiFe 30sec (b) NiFe 60sec
(c) NiFe 120sec (d) NiFe 180sec
(e) NiFe 360sec (f) NiFe 720sec 圖4.19 不同秒數之鎳鐵濺鍍於 AAO200 上之 SEM
圖4.20 鎳鐵薄膜成長於 AAO200 基板上的成長機制示意圖，
其成長方式依序為(a)(b)(c)(d)[18]
(a) NiFe 120sec (b) NiFe 360sec 圖4.21 不同秒數之鎳鐵濺鍍於 AAO200 上之 SEM 橫截面影像
我們另外挑選濺鍍 120 秒和 360 秒的鎳鐵於 AAO200 基板之樣品來拍攝橫 截面的SEM 影像，如圖 4.21 所示，方式為利用刀片輕壓樣品邊緣，使其自然斷 裂，以此觀察基板孔洞內的情況，拍攝角度則為與膜面夾角約5~10 度左右。由 圖4.21(a)看出濺鍍 120 秒的時候，有部份的鎳鐵濺鍍在孔洞內壁的邊緣，但大 部份的孔洞內部並無濺鍍到鎳鐵膜，此外由於在拍攝時不易聚焦在鎳鐵膜的側邊 上，使得獨立奈米柱狀結構在此橫截面並不若圖4.19(c)明顯，上述情況也可在 圖4.21(b)看出。此兩張圖也可以清楚對照出在 120 秒的孔洞比 360 秒時的孔洞 來的大，這是由於360 秒時的晶粒大小較 120 秒的大的緣故。
表4.5 不同濺鍍秒數及基板之晶粒大小的變化
30sec 60sec 120sec 180sec 360sec 720sec AAO20 11nm 13nm 20nm 28nm 41nm 91nm AAO200 7nm 12nm 25nm 28nm 36nm 85nm
4.2.3 VSM 量測分析
在 VSM 的量測裡，我們使用的方式為外加磁場方向平行樣品膜面與外加磁 場方向垂直樣品膜面。首先在AAO20 基板上鎳鐵濺鍍時間為 30 秒時，膜厚僅 為6.45nm，晶粒的排列沿著 corner regions 和 interpore regions 而成長，此時三維 柱狀結構的現象並不明顯，大部分仍是沿著膜面而成長，因此其在外加磁場平行 膜面的狀況下，容易達到飽合磁化，相較之下於外加磁場垂直膜面的時候，則稍 微不易達到飽合態，但此差異並不明顯，如圖4.22 所示。當時間為 60 秒的時候，
由於形成奈米柱狀結構的機制已然成行，並且磁場垂直膜面比磁場平行膜面更易 達到飽合磁化，所以可以知道形狀異向性的影響開始使得磁矩朝向柱狀結構成長 的方向，但矯頑場的差異性不大，大約值都為20Oe 左右，如圖 4.23 所示。另外，
因為鎳鐵膜厚較薄，導致量測的磁訊號微小，容易受到擾動的影響，因此磁滯曲
線的平整度較差。由圖4.25 可知，到了濺鍍時間增加為 180 秒後，原先 AAO20 的interpore regions 幾乎已被奈米柱狀結構所佔據，並與之前較早於 corner regions 處形成的奈米柱相併而呈現網格狀的結構，故外加磁場方向與膜面方向之間的矯 頑場有些許的不同，但造成此差異的原因仍有待進一步的討論。此時外加磁場平 行膜面的矯頑場值為73Oe，而垂直膜面的值則為 42Oe。
隨著濺鍍時間拉長，柱狀結構也不斷的增高且相互緊密的並行排列，使得外 加磁場平行與垂直膜面時欲達到飽合場所需的場強差異越大，並且當施加外加磁 場垂直膜面時的矯頑場上升的幅度也比平行膜面時來的更高，由圖4.26 及圖 4.27 所示。因此我們可以知道，由於柱狀結構的形成以及緊密的並行排列的關係，造 成了磁矩的方向與柱狀成長方向是相同的，亦即AAO20/NiFe 於濺鍍秒數較長時 的磁異軸為垂直膜面，磁難軸為平行膜面。
-10000 -5000 0 5000 10000
-300 -200 -100 0 100 200 300
Magnetization (emu/c.c)
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO20/NiFe(30sec)
圖4.22 NiFe 濺鍍 30sec 於 AAO20 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO20/NiFe(60sec)
圖4.23 NiFe 濺鍍 60sec 於 AAO20 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
-200
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO20/NiFe(120sec)
圖4.24 NiFe 濺鍍 120sec 於 AAO20 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO20/NiFe(180sec)
圖4.25 NiFe 濺鍍 180sec 於 AAO20 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
-300
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO20/NiFe(360sec)
圖4.26 NiFe 濺鍍 360sec 於 AAO20 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
Applied Field (Oe)
H ⊥ films
30s 60s 120s 180s 360s 720s
time (sec)
4.29 所示。此外加磁場方向垂直膜面似乎較易達到飽合狀態的情況，在濺鍍秒數 為120 秒前都可以發現到，應該是由於這段時間均為 corner region 上鎳鐵粒子要 形成奈米柱狀的過程所致。由於180 秒時，奈米顆粒直徑變大，在 interpore region 處的核團也長大成奈米粒狀，並且這些獨立柱狀結構開始有互相連結而形成 networks 趨勢的關係，使得外加磁場方向於水平或是垂直膜面時欲使其達到飽合 態的場強差異變小，同時兩者的矯頑場值也幾乎相同，大約在53Oe 左右，但飽 合磁化量卻略為降低，如圖4.32 所示。接著到了 360 秒的時候，此時的 networks 已經非常清楚，即使膜厚增加，但僅只有corner region 和 interpore region 上的奈 米柱狀有相接續，孔洞的部分仍清晰可見，此時於垂直場和水平場量測到的磁滯 曲線類似，如圖4.33 所示。於濺鍍時間達到 720 秒時，鎳鐵顆粒聚結成類似甜 甜圈形狀的連續網狀結構，外加磁場方向垂直膜面和平行膜面的磁滯曲線又產生 差異。圖4.35 為 AAO200/NiFe 之矯頑場及濺鍍秒數之間的變化關係，可以發現 不論是在垂直場或是水平場，其變化的幅度均較為穩定，類似於線性關係，不同 於之前AAO20 基板所量測到的趨勢。在 AAO200 上的 NiFe 隨不同秒數，於 VSM 上可清楚觀察到磁易軸由垂直膜面轉換至平行膜面，其轉換厚度約在沈積秒數為 360sec 處。推測造成這些差異的原因或許與基板表面的薄膜的奈米柱狀結構連結 密度有關。
表 4.7 及表 4.8 分別為於 AAO20 以及 AAO200 上濺鍍不同時間鎳鐵所對應 的磁性質數據。值得注意的是，不論在AAO20 或是 AAO200 的基板，濺鍍秒數 為30 秒及 60 秒的時候，因為薄膜厚度很薄且成核點少，量測到的磁滯曲線跳動 明顯，導致在估算飽合磁化量及矯頑場的值無法明確判斷，但整體的走向仍然是 可以看出的。
-10000 -5000 0 5000 10000
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO200/NiFe(30sec)
圖4.29 NiFe 濺鍍 30sec 於 AAO200 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
-300
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO200/NiFe(60sec)
圖4.30 NiFe 濺鍍 60sec 於 AAO200 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO200/NiFe(120sec)
圖4.31 NiFe 濺鍍 120sec 於 AAO200 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
-300
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO200/NiFe(180sec)
圖4.32 NiFe 濺鍍 180sec 於 AAO200 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
AAO200/NiFe(360sec)
圖4.33 NiFe 濺鍍 360sec 於 AAO200 上的 VSM 數據
-10000 -5000 0 5000 10000
-300
Applied Field (Oe)
H ⊥ films H // films
圖4.34 NiFe 濺鍍 720sec 於 AAO200 上的 VSM 數據
0
30s 60s 120s 180s 360s 720s
time (sec)
表4.7 AAO20 上濺鍍不同時間鎳鐵所對應的磁性質數據