Sizeable magnetic circular dichroism of artificially precipitated Co clusters in

該篇文獻回顧為本實驗室在AIP Advances 上所發表關於碳基材的磁光效應，

我們發現到以碳為主的薄膜上參雜鈷所製備之樣品，在MCD 磁光效應下，可觀 測出顯著地訊號。並針對訊號來源在其他量測系統輔助之下，提出可能的機制及 來源。本次樣品同樣是以業界常見之機台─射頻磁控濺渡系統製備參雜濃度約 20%金屬鈷之非晶質碳薄膜─Co(20%):a-C，與上一篇參考文獻相異之處為 Y 軸 的呈現。我們直接量測樣品對於左右旋光的吸收差異，並且觀察到在真空快速熱 退火(rapid thermal annealing, RTA)之後的樣品，於碳的鑽石能隙 5.5eV 附近有顯 著的磁光訊號。如下圖1-5 所示：

圖1-5 為室溫下，對 RTA2、RTA5、as-grown 與 pure a-C 樣品外加 0.78T 磁場所 量測得的MCD 磁光訊號，以及對吸收進行微分所得的 dk/dE 資訊[4]

RTA2 與 RTA5 分別為真空快速熱退火 2 分鐘與真空快速熱退火 5 分鐘之樣 品，而as-grown 與 pure a-C 即為未熱處理之樣品與純非晶質碳薄膜。由上圖可 看到：唯有真空快速熱退火過後的樣品，在約鑽石能隙5.5eV 附近才有顯著的磁 光訊號。有文章報導MCD 的磁光訊號對於研究稀磁性半導體是有用的，其 MCD 訊號會出現在稀磁性半導體的能隙附近[8]。而關於 dk/dE 是將吸收度(optical density)對 x 軸能量做微分，因為躍遷的選擇定律(selection rule)使得左右旋光對 分裂後的能階，有不同躍遷量。因此提供了利用稀磁性半導體的賽曼效應(Zeeman splitting)─能階分裂，可以得到 MCD 與能量分裂的關係式[8]：

MCD 45 absorption spectroscopy, XAS )量測以檢視樣品在退火前後的電子結構。並且以純 金屬鈷薄片當作標準參考片，由下圖1-6(a)的 X 光吸收近邊緣結構(X-ray absorption near edge structure, XANES)可以觀察到未退火的樣品在鈷的 K edge 吸 收光譜圖中含有強烈的吸收鋒值，這顯示著未退火的樣品有較多的未被佔有的電 子狀態(unoccupied state)。而真空快速熱退火後的樣品比較類似純金屬鈷標準片，

表示退火消去了原本存在於鈷與碳之間的不提供磁矩的鍵結。並從下圖(b)的延 伸X 光吸收精細結構(extended X-ray absorption fine structure, EXAFS)中可以發現 未退火的樣品以傅立葉轉換(Fourier transformation, FT)求得其鈷原子與附近各原 子之間的距離大約為1.8 Å，而退火後之樣品皆與純金屬鈷標準片距離相當。這 表示未退火的樣品鈷原子附近可能擁有較多的碳原子。

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圖 1-6 (a)為 XANES 圖表示未退火之樣品有較多的未被占有電子態，且由圖 (b)的 EXAFS 圖可以計算出未退火的樣品，鈷原子附近可能有較多的碳原子[4]

真空快速熱退火的作用可消除部分鈷與碳之間鍵結，使薄膜更接近鈷的金屬 性質。由鈷的K edge 可以知道鈷的情況，至於擁有多數同素異形體的碳的電子 結構，在拉曼光譜(Raman spectroscopy)圖可以提供整片樣品鍵結形式的訊息。在 混亂的石墨鍵結結構中，拉曼光譜可由兩組高斯曲線擬合(Gaussian curve fitting) 出：中心於1390cm 表示六個碳為一圓環的共同震盪形式，稱 D mode；以及中 心於1550cm 表示任一對sp 拉縮震盪的鍵結形式，稱 G mode，並且一般會從

這兩種鍵結形式的強度比─I(D)/I(G)呈現並討論。下圖 1-7 的拉曼光譜顯示出，

退火的RTA2 與 RTA5 樣品比例皆類似於sp 鍵結形式。

圖1-7(a)為以 532 nm 雷射光源的拉曼光譜，另外(b)為 as-grown、(c)為 RTA2 以 及(d)為 RTA5 的穿透式電子顯微鏡剖面圖[4]

除了光譜分析樣品電子結構之外，本實驗亦透過穿透式電子顯微鏡

(transmission electron microscopy, TEM)的剖面圖觀察到，退火前之樣品顆粒較小 而混濁；退火後的樣品擁有較大且邊緣分明的顆粒，其較大的顆粒是由於退火提

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供金屬鈷重新聚集成團簇的動能。另外呈現訊號相對明顯的RTA2 進行不同磁場 下的量測，並取5.5eV 對磁場作圖 1-8，可與 SQUID 所量測的值做一呼應與對照。

圖1-8 顯示 RTA2 樣品分別在 10K 以及 300K 溫度下的磁滯曲線，以及對 MCD 磁光訊號擷取5.5eV 繪製出與磁場相關的圖示。左上圖為 as-grown 樣品的磁滯 曲線；右下圖以穿透式電子顯微鏡剖面圖繪製非晶質碳參雜金屬鈷可能的能帶結 構[4]

左上小圖示顯示出：未熱處理之樣品於室溫下為順磁特性，而 RTA2 顯現出 超順磁特性。透過拉曼光譜與穿透式電子顯微鏡剖面圖以及XAS 譜圖分析給予 一個可能的機制：因為退火促使金屬鈷與半導體碳間的界面附近的電子結構發生 改變，消除原本存在於鈷與碳之間無法提供有效磁矩的鍵結。