SQUID 結果分析

我們用超導量子干涉磁量儀(superconducting quantum interference device magnetometer, SQUID magnetometer)在 T =5K 與 300K 測量 Zn1-xGdxO 薄膜在外 加磁場強度為±40000 Oe 間的磁矩關係(m-H)。

圖 4-18、圖 4-19 分別為鍍膜氧壓 3×10^-1與 8×10^-2 mbar 的薄膜於溫度 300K 時量測的 m-H 圖。所有薄膜在外加磁場強度±40000 Oe 的大範圍 m-H 圖中看起 來皆為順磁性，但由外加磁場強度±500 Oe 的小範圍 m-H 圖中確認無殘磁矩與磁 滯現象存在。外加磁場強度大小為 10000 Oe 時，所有薄膜磁矩大小皆達到飽和。

所有氧化鋅薄膜的飽和磁矩皆小於氧化釓鋅薄膜，鍍膜氧壓 3×10^-1mbar 的氧化 釓鋅薄膜之飽和磁矩大小隨著 Gd 比例的上升而減少，Gd 比例為 3%時薄膜飽和 磁矩最大，為 90μemu，遠大於其他所有薄膜；鍍膜氧壓 8×10^-2 mbar 的氧化釓鋅 薄膜之飽和磁矩大小隨著 Gd 比例的上升而增加，Gd 比例為 10%時薄膜飽和磁 矩最大，為 7μemu。

圖 4-20、圖 4-21 分別為鍍膜氧壓 3×10^-1與 8×10^-2 mbar 的薄膜於溫度 5 K 時 量測的 m-H 圖。所有薄膜在外加磁場強度±40000 Oe 的大範圍 m-H 圖中看起來 皆為順磁性，但由外加磁場強度±500 Oe 的小範圍 m-H 圖中確認無殘磁矩與磁滯 現象存在。外加磁場強度大小為 40000 Oe 時，所有薄膜磁矩大小皆未達到飽和。

所有氧化鋅薄膜的最大磁矩皆小於氧化釓鋅薄膜，氧化釓鋅薄膜的磁矩大小隨著 Gd 比例的上升呈現先減少後增加的趨勢：鍍膜氧壓為 3×10^-1mbar 的薄膜，Gd 比例為 3%時的磁矩最大(720μemu)；鍍膜氧壓為 8×10^-2mbar 的薄膜，Gd 比例為 10%時的磁矩最大(566μemu)。

磁矩大小與溫度的關係(m-T)則透過場冷(field cold, FC)與零場冷(zero field cold, ZFC)的量測來分析。FC 量測中，薄膜在外加磁場強度為 20000 Oe 的環境 下降溫至 2K，然後將外加磁場強度減至 100 Oe 並升溫量測磁矩和溫度的關係。

ZFC 則先將薄膜在室溫下去磁，接著在無外加磁場的環境下降溫至 2K，然後提

供 100 Oe 的外加磁場強度並升溫量測磁矩和溫度的關係。FC 的磁矩與溫度關係

Magnetic Field (Oe) T = 300 (K) / P_O2 = 3×10^-1(mbar)

0%

3%

5%

10%

-10000 -5000 0 5000 10000

-10

Magnetic Field (Oe) T = 300 (K) / P_O2 = 8×10^-2(mbar)

Magnetic Field (Oe) T = 300 (K) / P_O2 = 8×10^-2(mbar)

0%

3%

5%

10%

-10000 -5000 0 5000 10000

-100

Magnetic Field (Oe) T = 300 (K) / P_O2 = 3×10^-1(mbar)

0%

3%

5%

10%

圖 4-20 T = 5K。鍍膜氧壓為 3×10^-1mbar 的薄膜，各 Gd 比例薄膜 m-H 結果。右圖為放大圖。

Magnetic Field (Oe) T = 5 (K) / P_O2 = 3×10^-1(mbar)

0%

3%

5%

10%

-40000 -20000 0 20000 40000

-800

Magnetic Field (Oe) T = 5 (K) / P_O2 = 3×10^-1(mbar)

0%

3%

5%

10%

-40000 -20000 0 20000 40000

-600

Magnetic Field (Oe) T = 5 (K) / P_O2 = 8×10^-2(mbar)

Magnetic Field (Oe) T = 5 (K) / P_O2 = 8×10^-2(mbar)

Chapter 5 結論與展望

本論文以脈衝雷射蒸鍍法在 c 指向單晶藍寶石基板上製備 150nm 厚的 Zn1-xGdxO 薄膜，單位面積雷射能量為 2.6J/cm²，鍍膜氧壓分別為 3×10^-1與 8×10^-2mbar，Gd 摻雜的原子比例為 0~20%，基板溫度為 700℃。

由 AFM 測得 Zn1-xGdxO 薄膜鍍膜速率會隨著 Gd 比例的增加而上升，鍍膜 氧壓為 3×10^-1mbar 的薄膜其鍍膜速率隨著 Gd 比例變化的上升量比 8×10^-2mbar 的薄膜還大，顯示 Gd 比例與鍍膜氧壓對於鍍膜速率是有影響的，Gd 比例越高 或鍍膜氧壓越高薄膜鍍膜速率就會越大。不同 Gd 比例的鍍膜速率與靶材體積呈 正相關，與靶材粒子數密度呈負相關。由 XPS 測得 Zn1-xGdxO 薄膜實驗比例皆 略大於配方比例，可能是由靶材比例分布不均所造成的結果。

XRD 的結果顯示所有 Zn1-xGdxO 薄膜中皆沒有雜質與其他晶相的存在，代 表 Gd 成功地取代 Zn 的位置，Gd 比例增加時，c 軸晶格常數先減少後增加，粒 徑大小則持續下降，代表薄膜結晶品質變差。當 Gd 比例為 0%與 3%時，高氧壓 製備的薄膜之結晶品質優於低氧壓製備的薄膜，但相差不多。當 Gd 比例高於 5%

時，高氧壓製備的薄膜之結晶品質差於低氧壓製備的薄膜。拉曼散射結果中，不 論鍍膜氧壓為何，皆只能看到純氧化鋅與 Gd 比例為 3%的薄膜有氧化鋅 E2-low 與 E2-high 的訊號，訊號位置不隨摻雜而改變，顯示 Zn0.97Gd0.03O 與純氧化鋅薄 膜的缺陷濃度相同，訊號強度在摻雜後降低，代表薄膜品質下降，到 Gd 比例 5%

以上的薄膜就只能看到基板訊號，這可能是因為薄膜品質不好使得 E2-low 與 E2-high 訊號太弱而無法被觀察到。高氧壓製備的薄膜其 E2-low 與 E2-high 的訊 號強度皆大於低氧壓製備的薄膜。

PL 結果顯示所有薄膜中都存在鋅空缺與鋅間隙，而在純氧化鋅中還有氧空 缺。兩種鍍膜氧壓下製備的薄膜除了純氧化鋅之外，其餘氧化釓鋅薄膜的光譜形 狀皆相似。隨著 Gd 比例的增加，薄膜光譜強度皆會增加，且最大發光位置皆有 藍移的現象，造成藍移主要的因素為較高能量 NBE 的藍移。Ellipsometry 結果顯

示隨著 Gd 比例的增加，n-E 圖中折射率的峰值位置藍移，代表 Zn1-xGdxO 薄膜 直接能隙越大，Gd 比例 0~15%對應的直接能隙為 3.285~3.356 eV，Gd 比例 20%

為 3.909 eV。由 Tauc 模型得出的直接能隙大小也隨著 Gd 比例的增加而上升，

Gd 比例 0~15%對應的直接能隙為 3.281~3.310 eV，Gd 比例 20%為 3.530 eV。

SQUID 結果顯示，所有 Zn1-xGdxO 薄膜在室溫的 m-H 量測中殘磁為零且皆 達到飽和磁矩。所有氧化鋅薄膜的飽和磁矩皆小於氧化釓鋅薄膜，高氧壓製備的 氧化釓鋅薄膜其飽和磁矩大小隨著 Gd 比例的上升而減少，Gd 比例為 3%時薄膜 飽和磁矩最大，為 90μemu，遠大於其他所有薄膜。低氧壓製備的氧化釓鋅薄膜 其飽和磁矩大小隨著 Gd 比例的上升而增加，Gd 比例為 10%時薄膜飽和磁矩最 大，為 7μemu。在低溫(5K)的 m-H 量測中殘磁為零且皆未達到飽和磁矩，但其 最大磁矩大小遠大於室溫時的飽和磁矩。所有氧化鋅薄膜的最大磁矩皆小於氧化 釓鋅薄膜，氧化釓鋅薄膜的磁矩大小隨著 Gd 比例的上升呈現先減少後增加的趨 勢，高氧壓製備的氧化釓鋅薄膜，Gd 比例為 3%時的磁矩最大(720μemu)；低氧 壓製備的氧化釓鋅薄膜，Gd 比例為 10%時的磁矩最大(566μemu)，且高氧壓製備 的所有薄膜最大磁矩皆大於低氧壓製備的所有薄膜。由 m-T 關係中可確定氧化 鋅薄膜為超順磁性，氧化釓鋅薄膜為順磁性。

將來可用四點探針法量測薄膜導電率，並以霍爾效應量測薄膜傳輸載子的極 性、濃度與遷移率(mobility)等電性。由於薄膜在可見光區是透明的，並且為順磁 性，因此可用磁光法拉第效應(magneto-optic Faraday effect, MOFE)以及磁圓偏振 二向性(magnetic circular dichroism, MCD)的實驗進一步探討薄膜的磁性。對薄膜 進行退火探討退火的影響，或在薄膜與基板中間加一層緩衝層形成多層膜結構，

探討緩衝層對薄膜物性的影響。藉由改變薄膜成長條件與進行各種物性量測，期 許氧化釓鋅是適合開發成元件的材料之一。

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附錄

PL Lorentz 函數擬合分析結果

Gd 比例(at.%)

3×10

^-1

mbar Zn

i

→V

Zn

E

c

→V

Zn

NBE

1

NBE

2

FX

0 2.452

(Ec→V_O) * 3.192 3.251 3.297 3 2.710 2.963 3.104 3.200 * 5 2.567 3.024 3.153 3.232 * 10 2.597 2.979 3.142 3.26 * 15 2.585 2.95 3.133 3.315 * 20 2.584 2.946 * 3.258 *

Gd 比例(at.%)

8×10

^-2

mbar Zn

_i

→V

Zn

E

_c

→V

Zn

NBE

₁

NBE

₂

FX

0 2.816 3.016 3.149 3.231 * 3 2.865 3.026 3.146 3.24 * 5 2.771 3.001 3.148 3.242 * 10 2.593 2.999 3.252 * * 15 2.596 2.956 3.223 3.406 * 20 2.589 2.947 3.305 3.467 *

室溫(300K)PL Lorentz 擬合分析結果

Gd 比例(at.%)

3×10

^-1

mbar Zn

i

→V

Zn

E

c

→V

Zn

NBE

1

NBE

2

FX

0 2.253

(Ec→V_O) 3.084 3.228 3.311 3.351 3 2.719 2.953 3.114 3.221 * 5 2.590 2.921 3.215 3.517 * 10 2.610 2.946 3.167 3.315 * 15 2.583 2.964 3.153 3.317 * 20 2.586 2.911 3.118 3.326 *

Gd 比例(at.%)

8×10

^-2

mbar Zn

_i

→V

Zn

E

_c

→V

Zn

NBE

₁

NBE

₂

FX

0 2.206

(Ec→VO) 3.002 3.199 3.31 3.349 3 2.699 2.982 3.176 3.274 * 5 2.787 3.007 3.151 3.244 3.318 10 2.614 2.963 3.202 3.386 3.315 15 2.606 2.948 3.224 3.465 3.344 20 2.595 2.974 3.196 3.451 3.324

低溫(20K)PL Lorentz 擬合分析結果

變溫 PL 結果

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

30K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Zn1-xGdxO 薄膜(x = 0.10)歸一化不同溫度 PL 結果。

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

Norm. intensity (a.u.)

Photon Energy (eV)

20K

在文檔中 氧化釓鋅薄膜在不同鍍膜氧壓下的結構、光學與磁性 (頁 55-66)