鎳鐵合金成長於三氧化二鋁及陽極氧化鋁基板上之磁異向性行為研究

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(1)國立高雄大學應用物理學系碩士班碩士論文. 鎳鐵合金成長於三氧化二鋁及陽極氧化鋁基板上之磁異向性行為研究 The Studies of Magnetic Anisotropy of NiFe Grown on _. Al2O3( 11 00 ) and Anodic Aluminum Oxide. 研究生：黃建智撰指導教授：余進忠博士中華民國九十九年七月.

(2) E srAtEX+ryn*-+,ff?h;r$Eg ffi*htv+Aa?+qr ^+nR ffrtftiil*rynL F+E(+qF": M0e74304) & = '^4U=&e 4f,4fi,+e' fi"F-r*f%F1-+t"4U't'g tln-y. z-ffi,Xrtt+L4t hnfrn. p*\ , f4+aatr+++4n?hjL+*+ ss^4 Htr#6_fr.F4t " Ftt4i*,aH&F:. ,n*o>'&fih K. *a+&ffiA. @ L V,. "U. Y.. A+.4t*tE< IA 7W ^.

(3) 中文摘要. _. 在本研究中我們利用超高真空電子束蒸鍍系統成長Al2O3( 11 00 ) / V(200Å) / NiFe(116 Å) 薄膜系統及利用濺鍍系統於陽極氧化鋁基板(AAO)上成長NiFe( x Å )，並探討其晶體結構與磁性質及磁翻轉機制之關係；於研究過程中，我們使用掃描式電子顯微鏡來觀察鎳鐵膜成長的結構形狀，以及利用磁光柯爾效應和震動樣品磁性量測儀來量測其磁滯曲線的變化，利用X-ray 繞射分析儀來做樣品結構的分析，並以磁力顯微鏡來觀察其在不同磁場下的磁區變化情形，再以電子順磁共振儀量測其磁滯及鐵磁共振行為。 _. 我們發現在Al2O3( 11 00 ) / V(200Å) / NiFe(116 Å) 薄膜系統時，利用釩來當種子層並改變最上層鎳鐵的成長溫度會影響其晶體排列方式，而磁滯曲線的方正度以及磁性質亦會受到晶體排列方向與外加磁場的方向不同而改變。另外在AAO / NiFe(x Å)系統方面，陽極氧化鋁基板的孔徑大小會影響鎳鐵膜的成長機制，一開始會在其孔洞周圍形成柱狀的奈米結構，隨著濺鍍時間增加進而形成network 及連續膜，連帶的影響其磁性質的變化。. I.

(4) Abstract _. In this study, the V(200Å) / NiFe(116 Å) trilayers are fabricated on Al2O3( 11 00 ) substrates by the ultra-high e-beam evaporator and the different thickness of NiFe(x Å) are fabricated on the nanoporous anodic aluminum oxide (AAO) templates by sputtering. The crystal structures of NiFe are investigated by the scanning electron microscope and the X-ray diffraction. The hysteresis loops of NiFe are obtained by the Longitudinal mangeto-optical Kerr effect and the vibrating-sample magnetometer. The magnetic domain of NiFe in the different applied field are obtained by the magnetic force microscope. The ferromagnetic resonance behaviors are measured by the electron spin resonance. _. For the first time, the crystal structures of Al2O3( 11 00 ) / V(200Å) / NiFe(116 Å) have been influenced while V is been the seeding layer and permalloy layer is grown at different temperature. The squareness of the hysteresis loops have been changed in the different applied field. For the systems of AAO / NiFe(x Å), the microstructures of NiFe grown on AAO templates with different pore diameter strongly influence its magnetic properties. The NiFe nanorods are formed on the rim of the pores while the thickness of NiFe is thin. The network and continuous films were commonly formed for thick films for the longer deposition time.. II.

(5) 致謝在研究所的這兩年裡面學習到了很多的東西，也成長了不少。首先要感謝的就是我的指導教授余進忠老師，讓我除了在學業上學習到很多知識以及實驗的方法之外，也獲得許多額外的知識，並且感謝老師平日的關心及照顧。感謝鄧永祥學長以及黃宇寬學長在我碩一的時候教我如何操作實驗儀器和一些經驗上的技巧，讓我可以很快的學會許多以前沒有接觸過的東西，也祝他們能在職場上工作順利。感謝清大博班的陳士元學長在實驗量測及處理分析數據的指導和幫忙，同時恭喜學長在今年順利完成博班的學業。感謝仕穎和偉豪在 XRD 量測上的幫助，也祝仕穎能夠早日完全康復。感謝林春榮老師和胡裕民老師在論文上的指導及建議，使論文能夠更加充實。感謝實驗室的學弟妹們能在我累了的時候陪我聊天、打屁，讓我可以放鬆心情。感謝林萱、玟琳、瑞辰、鈞元以及劉素梅小姐在我受傷休養的期間，幫忙生活上的打理和保險的理賠。最後要感謝我的父母、姊姊和姊夫的鼓勵及支持，讓我可以完成我的學業。. III.

(6) 目錄中文摘要.........................................................................................................................Ι Abstract..........................................................................................................................ΙΙ 致謝..............................................................................................................................ΙΙΙ 目錄..............................................................................................................................ΙV 表目錄...........................................................................................................................V 圖目錄..........................................................................................................................VI 第一章緒論與動機目的..............................................................................................1 第二章文獻回顧..........................................................................................................3 2.1 磁性材料.........................................................................................................3 2.2 鎳鐵合金的基本性質.....................................................................................5 2.3 磁異向性.........................................................................................................7 2.3.1 磁晶異向性..........................................................................................8 2.3.2 形狀異向性........................................................................................11 2.4 陽極氧化鋁簡介...........................................................................................12 2.4.1 陽極氧化鋁的結構與性質................................................................12 2.4.2 陽極氧化鋁基板上的薄膜成長模式................................................13 2.5 鐵磁共振.......................................................................................................16 第三章樣品製備與檢測............................................................................................18 3.1 實驗流程.......................................................................................................18 3.2 電子束蒸鍍系統與樣品製備.......................................................................18 3.3 濺鍍系統與樣品製備...................................................................................20 3.4 磁光柯爾效應(MOKE)量測........................................................................24 3.5 震動樣品磁性量測儀(VSM)量測................................................................26 3.6 X-ray 繞射分析儀(XRD)量測.......................................................................27 3.7 磁力顯微鏡(MFM)量測...............................................................................29 3.8 掃瞄式電子顯微鏡(SEM)量測....................................................................31 3.9 電子順磁共振儀(ESR)量測.........................................................................32 第四章實驗結果與討論............................................................................................33 4.1 Al2O3/V/NiFe ................................................................................................33 4.1.1 AFM 量測分析....................................................................................33 4.1.2 XRD 量測分析....................................................................................34 4.1.3 MOKE 量測分析.................................................................................35 4.1.4 VSM 量測分析....................................................................................41 4.1.5 MFM 量測分析...................................................................................45 4.2 AAO/NiFe......................................................................................................48 4.2.1 XRD 量測分析....................................................................................48 IV.

(7) 4.2.2 SEM 量測分析....................................................................................49 4.2.3 VSM 量測分析....................................................................................53 4.2.4 MFM 量測分析...................................................................................64 4.2.5 ESR 量測分析.....................................................................................66 第五章結論................................................................................................................90 參考文獻......................................................................................................................92. V.

(8) 表目錄表 2.1 表 2.2 表 3.1 表 4.1 表 4.2 表 4.3 表 4.4 表 4.5 表 4.6 表 4.7 表 4.8 表 4.9. 鎳與鐵於室溫下量測之磁異向性常數........................................................10 立方晶系之易磁化方向與K1和K2之關係................................................10 陽極氧化鋁基板相關型號規格參數............................................................24 鎳鐵晶粒大小於不同成長溫度下之變化....................................................34 成長溫度對應不同外加水平磁場角度的矯頑場(Oe)量測.........................36 鎳鐵膜於不同成長溫度下所對應的數據....................................................42 不同軟磁材料相應的磁性質........................................................................43 不同濺鍍秒數及基板之晶粒大小的變化....................................................53 濺鍍不同時間鎳鐵所對應的磁異向常數....................................................63 AAO20 上濺鍍不同時間鎳鐵所對應的磁性質數據...................................64 AAO200 上濺鍍不同時間鎳鐵所對應的磁性質數據.................................64 AAO20/NiFe 於不同秒數下平行外加場與垂直外加場的變化關係..........77. 表 4.10 AAO200/NiFe 於不同秒數下平行外加場與垂直外加場的變化關係........78. VI.

(9) 圖目錄圖 2.1 FCC結構之鎳鐵合金於室溫下的磁致伸縮常數λs關係圖.........................5 圖 2.2 鎳鐵合金的磁致伸縮常數λs相圖..................................................................6 圖 2.3 飽合磁化量、居禮溫度、磁晶各異向性常數及磁致伸縮常數與鎳含量之關係圖..........................................................................................................7 圖 2.4 理想單軸磁異向性晶體之磁化曲線..............................................................8 圖 2.5 (a) Ni 與 (b) Fe 的單晶晶體在不同晶軸方向的磁化曲線.......................10 圖 2.6 棒狀磁鐵內部感應磁場分布.........................................................................11 圖 2.7 具有形狀異向性之橢圓形粒子，其 a、c 軸不等長.....................................12 圖 2.8 interpore regionλ和 corner region δ的尺寸...............................................13 圖 2.9 Pt 奈米柱的 SEM，分別為(a)375s，(b)750s，(c)1500s 在 AAO75 膜面。 (d)奈米柱在 AAO 膜面的示意圖..................................................................14 圖 2.10 在 AAO 膜面的奈米柱成長機制圖(interpore sizeλ,孔洞直徑 φ)............15 圖 3.1 圖 3.2 圖 3.3. 電子束蒸鍍細部架構....................................................................................18 電子束蒸鍍系統示意圖................................................................................19 電子束蒸鍍系統實體圖................................................................................19. 圖 3.4. Al2O3( 11 00 )/V/NiFe系統樣品結構與成長條件........................................20. 圖 3.5 圖 3.6 圖 3.7 圖 3.8 圖 3.9 圖 3.10 圖 3.11 圖 3.12 圖 3.13 圖 3.14 圖 3.15 圖 3.16 圖 3.17 圖 3.18 圖 4.1 圖 4.2. 濺鍍原理示意圖............................................................................................21 濺鍍系統示意圖............................................................................................22 熱蒸鍍儀器實體圖........................................................................................22 AAO 基板判別方法(a)孔徑為 20nm(b)孔徑為 200nm.............................23 利用掃描式電子顯微鏡所拍攝之影像........................................................23 AAO/NiFe 系統樣品結構與成長條件.......................................................24 (a)反射光在極化方向上的改變(b)PMOKE(c)LMOKE(d)TMOKE..........25 LMOKE 裝置示意圖...................................................................................26 VSM 量測示意圖.........................................................................................27 VSM 量測機台實體圖.................................................................................27 布拉格繞射原理..........................................................................................28 (a) MFM 探針掃描路徑過程(b)成像訊號示意圖......................................30 本實驗之磁力顯微鏡實體圖及量測擺設裝置圖......................................30 SEM 機台實體圖........................................................................................31 鎳鐵成長於不同溫度下之 AFM (a)100℃ (b)300℃................................33 鎳鐵成長於不同溫度下之 AFM (a)400℃ (b)500℃................................34. _. _. 圖 4.3 Al2O3 ( 11 00 ) / V(200Å) / NiFe(116 Å) 的X-ray繞射結果.....................35 圖 4.4. NiFe(116 Å)成長溫度為 100℃時的 LMOKE 結果..................................37 VII.

(10) 圖 4.5 圖 4.6 圖 4.7 圖 4.8 圖 4.9 圖 4.10 圖 4.11 圖 4.12 圖 4.13 圖 4.14 圖 4.15 圖 4.16 圖 4.17 圖 4.18. NiFe(116 Å)成長溫度為 300℃時的 LMOKE 結果......................................38 NiFe(116 Å)成長溫度為 400℃時的 LMOKE 結果......................................39 NiFe(116 Å)成長溫度為 500℃時的 LMOKE 結果......................................40 NiFe(116 Å)於不同溫度成長時的磁滯曲線方正度變化............................41 NiFe(116 Å)成長溫度為 100℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果.........43 NiFe(116 Å)成長溫度為 300℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果........44 NiFe(116 Å)成長溫度為 400℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果........44 NiFe(116 Å)成長溫度為 500℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果........44 鎳鐵成長溫度 100℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe...............46 鎳鐵成長溫度 300℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe...............47 鎳鐵成長溫度 400℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe...............47 鎳鐵成長溫度 500℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe...............47 濺鍍鎳鐵為 720 秒時的 X-ray 繞射圖.........................................................49 不同秒數之鎳鐵濺鍍於 AAO20 上之 SEM................................................51. 圖 4.19 圖 4.20 圖 4.21 圖 4.22 圖 4.23 圖 4.24 圖 4.25 圖 4.26 圖 4.27 圖 4.28 圖 4.29 圖 4.30 圖 4.31 圖 4.32 圖 4.33 圖 4.34 圖 4.35 圖 4.36. 不同秒數之鎳鐵濺鍍於 AAO200 上之 SEM..............................................52 鎳鐵薄膜成長於 AAO200 基板上的成長機制示意圖...............................53 不同秒數之鎳鐵濺鍍於 AAO200 上之 SEM 橫截面影像.........................53 NiFe 濺鍍 30sec 於 AAO20 上的 VSM 數據...............................................55 NiFe 濺鍍 60sec 於 AAO20 上的 VSM 數據..............................................56 NiFe 濺鍍 120sec 於 AAO20 上的 VSM 數據............................................56 NiFe 濺鍍 180sec 於 AAO20 上的 VSM 數據.............................................57 NiFe 濺鍍 360sec 於 AAO20 上的 VSM 數據............................................57 NiFe 濺鍍 720sec 於 AAO20 上的 VSM 數據............................................58 AAO20/NiFe 之矯頑場及濺鍍秒數的變化................................................58 NiFe 濺鍍 30sec 於 AAO200 上的 VSM 數據.............................................60 NiFe 濺鍍 60sec 於 AAO200 上的 VSM 數據.............................................60 NiFe 濺鍍 120sec 於 AAO200 上的 VSM 數據...........................................61 NiFe 濺鍍 180sec 於 AAO200 上的 VSM 數據...........................................61 NiFe 濺鍍 360sec 於 AAO200 上的 VSM 數據...........................................62 NiFe 濺鍍 720sec 於 AAO200 上的 VSM 數據...........................................62 AAO200/NiFe 之矯頑場及濺鍍秒數的變化..............................................63 AAO20 上濺鍍不同秒數的鎳鐵於 Mr 時的 MFM 量測(a)30 秒 (b)180 秒 (c)720 秒.................................................................................................65 AAO200 上濺鍍不同秒數的鎳鐵於 Mr 時的 MFM 量測(a)30 秒 (b)120 秒 (c)180 秒 (d)720 秒................................................................................66 AAO20 基板之水平場與垂直場 ESR 比較...............................................68 濺鍍 30 秒的鎳鐵於 AAO20 上之水平場與垂直場 ESR 比較..................68 濺鍍 60 秒的鎳鐵於 AAO20 上之水平場與垂直場 ESR 比較..................69. 圖 4.37 圖 4.38 圖 4.39 圖 4.40. VIII.

(11) 圖 4.41 圖 4.42 圖 4.43 圖 4.44 圖 4.45 圖 4.46 圖 4.47 圖 4.48 圖 4.49 圖 4.50 圖 4.51 圖 4.52 圖 4.53 圖 4.54. 濺鍍 120 秒的鎳鐵於 AAO20 上之水平場與垂直場 ESR 比較.................69 濺鍍 180 秒的鎳鐵於 AAO20 上之水平場與垂直場 ESR 比較.................70 濺鍍 360 秒的鎳鐵於 AAO20 上之水平場與垂直場 ESR 比較.................70 濺鍍 720 秒的鎳鐵於 AAO20 上之水平場與垂直場 ESR 比較.................71 濺鍍不同秒數的鎳鐵於 AAO20 上之水平場 ESR 比較............................71 濺鍍不同秒數的鎳鐵於 AAO20 上之垂直場 ESR 比較............................72 AAO200 基板之水平場與垂直場 ESR 比較...............................................72 濺鍍 30 秒的鎳鐵於 AAO200 上之水平場與垂直場 ESR 比較................73 濺鍍 60 秒的鎳鐵於 AAO200 上之水平場與垂直場 ESR 比較................73 濺鍍 120 秒的鎳鐵於 AAO200 上之水平場與垂直場 ESR 比較...............74 濺鍍 180 秒的鎳鐵於 AAO200 上之水平場與垂直場 ESR 比較...............74 濺鍍 360 秒的鎳鐵於 AAO200 上之水平場與垂直場 ESR 比較...............75 濺鍍 720 秒的鎳鐵於 AAO200 上之水平場與垂直場 ESR 比較...............75 濺鍍不同秒數的鎳鐵於 AAO200 上之水平場 ESR 比較..........................76. 圖 4.55 圖 4.56 圖 4.57 圖 4.58 圖 4.59 圖 4.60 圖 4.61 圖 4.62 圖 4.63 圖 4.64 圖 4.65 圖 4.66 圖 4.67 圖 4.68 圖 4.69 圖 4.70 圖 4.71 圖 4.72 圖 4.73 圖 4.74 圖 4.75 圖 4.76 圖 4.77 圖 4.78. 濺鍍不同秒數的鎳鐵於 AAO200 上之垂直場 ESR 比較..........................76 外加磁場方向平行 AAO20/NiFe(30 秒)的 ESR 積分後波形....................79 外加磁場方向平行 AAO20/NiFe(60 秒)的 ESR 積分後波形....................79 外加磁場方向平行 AAO20/NiFe(120 秒)的 ESR 積分後波形..................80 外加磁場方向平行 AAO20/NiFe(180 秒)的 ESR 積分後波形..................80 外加磁場方向平行 AAO20/NiFe(360 秒)的 ESR 積分後波形..................81 外加磁場方向平行 AAO20/NiFe(720 秒)的 ESR 積分後波形..................81 外加磁場方向垂直 AAO20/NiFe(30 秒)的 ESR 積分後波形....................82 外加磁場方向垂直 AAO20/NiFe(60 秒)的 ESR 積分後波形....................82 外加磁場方向垂直 AAO20/NiFe(120 秒)的 ESR 積分後波形…………..83 外加磁場方向垂直 AAO20/NiFe(180 秒)的 ESR 積分後波形..................83 外加磁場方向垂直 AAO20/NiFe(360 秒)的 ESR 積分後波形..................84 外加磁場方向垂直 AAO20/NiFe(720 秒)的 ESR 積分後波形..................84 外加磁場方向平行 AAO200/NiFe(30 秒)的 ESR 積分後波形..................85 外加磁場方向平行 AAO200/NiFe(60 秒)的 ESR 積分後波形..................85 外加磁場方向平行 AAO200/NiFe(120 秒)的 ESR 積分後波形................86 外加磁場方向平行 AAO200/NiFe(180 秒)的 ESR 積分後波形................86 外加磁場方向平行 AAO200/NiFe(360 秒)的 ESR 積分後波形................87 外加磁場方向平行 AAO200/NiFe(720 秒)的 ESR 積分後波形...............87 外加磁場方向垂直 AAO200/NiFe(30 秒)的 ESR 積分後波形.................88 外加磁場方向垂直 AAO200/NiFe(60 秒)的 ESR 積分後波形..................88 外加磁場方向垂直 AAO200/NiFe(120 秒)的 ESR 積分後波形................89 外加磁場方向垂直 AAO200/NiFe(180 秒)的 ESR 積分後波形................89 外加磁場方向垂直 AAO200/NiFe(360 秒)的 ESR 積分後波形................90 IX.

(12) 圖 4.79. 外加磁場方向垂直 AAO200/NiFe(720 秒)的 ESR 積分後波形...............90. X.

(13) 第一章緒論與動機目的在磁性材料應用上已經越來越廣泛，諸如高斯計、磁頭、硬碟機的磁阻式讀寫頭、生物科技上等等，因此關於磁性材料的性質及其機制是值得來探討及研究[1] [2]。即使是同一種磁性物質，但其在塊材(bulk)或是薄膜(film)上由於維度不同，在電性或是物性也會有所不同，例如在薄膜狀態時所呈現的垂直異向性、應力異向性、形狀異向性等，故在鐵磁性物質的磁異向性方面的研究也是相當重要的。理想的磁性存取媒體性質會因其用途而有所差異，但通常不外乎幾點須具備的條件，例如較高的飽合磁通密度、良好的方正度(Mr/Ms)、磁化反轉之單位體積需小等等，而透過電鍍、蒸鍍及濺鍍等方法於材料上鍍上磁性薄膜則可以使用途更加廣泛。通常薄膜分為單層膜及多層膜，單層膜顧名思義即只有於表面上鍍上一層薄膜，並且此一膜層中只含同一種材料；而一般所謂的多層膜則是指兩種不同材料於製程中以 ABAB……的方式重複且週期性的堆疊於基板上。在多層膜當中，若 A、B 皆為單晶，則此種多層膜便稱為超晶格。由於超晶格為異質材料週期性的結合，也因此造成了此材料位勢的特殊週期性，位勢會因 A、B 的種類及厚度(包括一個週期)調制而異。在週期性位勢中所允許的能帶寬度是由位能阱與位壘的寬度所決定。此外，超晶格的週期比一般晶格週期大得多，因此使得材料系統在波向量空間(K-Space)中產生了許多微區(mini-gap)。超晶格的物性則會受薄膜結構的影響，而薄膜的結構包括二維及三維的結構，其會因基底物質的結構、表面晶格常數及平均粗糙度的影響。此外，近年來有許多人投入陽極氧化鋁(AAO)的研究，像是利用 AAO 模板製作光罩、用材料填滿孔洞、誘使表面結構成長或是觀察 AAO 結構改變後其沉積於表面的情形。大部分的研究都著重於 AAO 的孔洞上，但在孔洞外的形成機制上的研究還不是相當的明確。. 1.

(14) 在本研究裡，我們主要分為兩個部份來做討論。首先於Al2O3/ V / NiFe薄膜 _. 系統中使用Al2O3( 11 00 )做為基板，以釩做為種子層，則釩可成長為bcc(211)的結構[3]，再改變成長鎳鐵的溫度於釩上方鍍上一層鎳鐵薄膜，經由溫度的提高可使鎳鐵成長為fcc(211)的結構，並且會沿著膜面的某一特定方向成拉長條狀的排列，此形狀會造成磁異向性及磁翻轉機制的不同。第二部份則是以不同孔徑大小的陽極氧化鋁做為基板，利用濺鍍方式於上方鍍上一層鎳鐵膜，且其會於這些孔洞的間隙鍍上形成奈米球或奈米柱的結構，進而改變磁性質。. 2.

(15) 第二章文獻回顧 2.1 磁性材料在磁場(H)中可以被磁化的物質，我們稱之為磁性物質，用來描述物質的磁化程度通常是用磁化強度( Magnetization Intensity )來表示，其也稱為磁化量 ( Magnetization, M )，定義為物質單位體積所含的磁矩。外加磁場與磁化量之間的關係則是以磁化率( Magnetic Susceptibility, χ ) χ=M/H 來表示，磁化率越高，表示物質越容易被磁化。而磁性的來源是由原子內以及原子間電子運動的整體效應所造成的。依照磁化率的大小還可將物質區分為順磁性( paramagnetism )、反磁性 ( diamagnetism )、鐵磁性( ferromagnetism )、反鐵磁性( antiferromagnetism )、亞鐵磁性( ferrimagnetism )等。 (1). 順磁性( paramagnetism ) 順磁性物質的磁化強度的大小與外磁場的大小成正比，而且方向相同。這是因為物質內的電子的自旋所產生的磁偶極矩，會與外磁場耦和，產生矯正方向的作用力，使得自旋方向會依著磁場線排列。由於包立不相容原理，處於原子內的同一軌域的兩個電子的自旋方向必須相反。這使得順磁性效應相互抵銷。所以，順磁性通常只會出現於擁有奇數數目電子的原子，故其具有不為零的淨磁矩。 (2). 反磁性( diamagnetism ) 為一種弱磁性，只有當外磁場施加時才存在，不具有永久性。感應出來的磁偶極矩的大小與外磁場成正比，但是方向相反。因此，反磁性物質的相對磁導率小於 1，磁化率是負值。一般物質皆會有反磁性，主要是由於在施加外磁場時，因為電磁感應而使得電子繞原子核旋轉，而根據冷次定律( Lenz’s law )，會有一感應電流產生磁通量來抵抗外加磁場的變化。 (3). 鐵磁性( ferromagnetism ) 鐵磁性物質不需要外磁場就能夠顯示出淨磁性，這現象稱為自發磁化. 3.

(16) （spontaneous magnetization），指的是處於外磁場等於零的狀況，物質仍具有淨磁偶極矩。鐵磁性物質內部會形成一個區域一個區域的磁域( magnetic domain )，每個磁域裡鄰近磁偶極子之間的交換力( exchange force )會使鄰近磁偶極子朝著同樣方向排列，但是磁域的磁矩方向是隨機的，因此鐵磁性物質的平均磁偶極矩會因為相互抵銷而消減。我們可以用磁化曲線來說明鐵磁性物質於磁場作用下的情況。當施加外磁場時，外磁場的力矩會使磁域的磁偶極子依著外磁場線排列，並且隨著外磁場的增強，磁化強度也會增強，直到飽合的狀態，此時增強外磁場並不會改變磁化強度。如果再將外磁場減弱，則磁化強度也會跟著減弱。當外加磁場為零時，此時會有一殘餘磁化量( residual magnetization, Mr )存在，將磁場持續往反方向增加會迫使磁化繼續減少，而使磁化量為零時的磁場稱之為矯頑力( coercive force )。鐵磁性另一個重要性質為隨著溫度的上升時，磁矩會受到熱擾動的影響，而使得排列的次序變得很凌亂，此時自發磁化會因此互相抵消而減少。當溫度超過某個溫度時，自發磁化將完全消失，變成順磁性，此溫度稱之為居禮溫度( Curie temperature, Tc )。 (4). 反鐵磁性( antiferromagnetism ) 反鐵磁性也是弱磁性，其原子之間有較大的交互作用力使彼此磁矩反平行，淨磁矩主要來自於自旋角動量。反鐵磁性材料在低溫時，相鄰電子自旋呈相反方向排列，因此整體磁化量等於零，而在溫度達到尼爾溫度( Neel temperature, TN ) 以上的時候，會由於熱擾動而呈現出順磁性。 (4). 亞鐵磁性( ferrimagnetism ) 亦稱為陶鐵磁性，是 Neel 為描述陶鐵礦的性質而提出的。在此種物質內，晶格內會有相同離子(A)磁矩互相平行，不同離子(B)磁矩反向平行，由於位置、數目不同，造成其自發磁化。亞鐵磁性物質在居里溫度以下像鐵磁性一樣會保有暫態磁性，但在該溫度以上則呈現順磁性。. 4.

(17) 2.2 鎳鐵合金的基本性質在本研究中所採用的鐵磁性材料為Ni80Fe20，屬於permalloy合金的一種，導磁係數較高。而permalloy是為含鎳 35~82 %的鎳鐵合金，控制鎳鐵成分的比例可以改變permalloy中的異向性常數( anisotropy constant, K1 )以及磁致伸縮常數 ( magnetostriction constant, λs )，如圖 2.1 [4]。其晶體結構如圖 2.2 中相圖所示，大部分的比例為fcc結構，即和一般的金屬相同，可以保持與其他成分相結合的穩定性，而所有fcc結構的鎳鐵合金其在居禮溫度( Curie temperatures, Tc )超過 400℃的磁場熱處理下，可以得到許多不同形狀的B-H曲線。通常可把 permalloy 合金依照鎳的含量分為 50%、65%、78%三類[5]︰ (1)含鎳 50%的合金，在退火( field anneal )後會具有很強的磁通量密度( magnetic flux density )( Bs=1.6T )以及方正的磁滯曲線( square loop )。 (2)含鎳 65%的合金，經由退火後，可使磁各異向性常數約為零。 (3)含鎳 78%的合金，其磁致伸縮常數 λs 為零且同時有良好的導磁率。. 圖 2.1. FCC結構之鎳鐵合金於室溫下的磁致伸縮常數λs關係圖[4]. 5.

(18) 圖 2.2. 鎳鐵合金的磁致伸縮常數λs相圖[4]. 通常會影響到磁異向性常數的因素有(a)晶格結構、(b)機械外力、(c)熱處理 (heat treatment)等情況。而為了使影響減少，從圖 2.3 中觀察異向性常數、居禮溫度和磁致伸縮常數與含鎳(NixFe100-x)比重合金的相互關係，可知在鎳的含量約為 45％～95％時，居禮溫度可達到 400℃以上；約 75％左右時，磁晶各異向性常數 (magnetocrystalline anisotropy constant, Ku)約為零；約 35％～45％以及 80％時，其磁致伸縮常數為零。故可以推知在X=80 (即Ni80Fe20)的時候，可得到理想的 permalloy合金。此時其磁致伸縮常數 λs 為零且異向性場低，故可以有良好的矯頑磁力與磁特性。. 6.

(19) 圖 2.3 飽合磁化量、居禮溫度、磁晶各異向性常數及磁致伸縮常數與鎳含量之關係圖[4]. 2.3 磁異向性簡單的來說，磁異向性就是指材料的內在能量隨著自身磁化方向而改變 [6]。而磁異向性可以分為下列幾種類型[7]︰ 1﹒磁晶異向性 (magnetocrystalline anisotropy ) 2﹒應力磁異向性 ( stress anisotropy ) 3﹒形狀異向性 ( shape anisotropy ) 4﹒誘導磁異向性 ( induced magnetic anisotropy ) 7.

(20) 5﹒交換異向性 ( exchange anisotropy ) 上述類型裡的磁晶異向性是鐵磁性材料自己內稟( intrinsic )所具有的性質，而其他的則是外稟的( external )或是感應的( induced )性質。由於在此研究中磁晶異向性以及形狀異向性為主要的因素，故再特別加以說明。. 2.3.1 磁晶異向性磁晶異向性( magnetocrystalline anisotropy, MCA )亦可以稱做晶體磁異向性，指的是物質本身的磁異向性與其晶體晶軸的方向有關。通常由一個 M-H 曲線，可以得知在磁化磁性物質時，若沿著磁性物質的某一方向磁化較容易達到飽合，則稱此方向為易軸( easy axis )，如圖 2.4(a)所示；反之，若要外加更高的磁場才能使其達到飽合的話，則稱為難軸( hard axis )，如圖 2.4(b)所示。若從能量的觀點來看，鐵磁性物質由去磁的狀態下進而達到飽合狀態，其 M-H 曲線和 M 軸之間所圍成的面積等於磁化過程所作的功，亦即為鐵磁性物質磁化時所需的能量。. (a) 圖 2.4. (b) 理想單軸磁異向性晶體之磁化曲線. 在磁性物質裡可以考慮三種交互作用： 1. 自旋與自旋之間的耦和( spin-spin coupling )：即兩鄰近自旋之間的交換作用( exchange interaction )。一般來說此種耦和的 8.

(21) 作用力是很強的，而且其伴隨的交換能量( exchange energy )是等向性的。所以此自旋與自旋之間的耦和並不會造成磁晶異向性。 2. 軌道與晶格之間的耦和( orbit-lattice coupling )：此種耦和也是屬於強的作用力。在高磁場的情況下並不會對此種耦和造成影響，因此當在做磁化時，軌道磁矩就像消失一樣，故此種耦和也不會造成磁晶異向性。 3. 自旋與軌道之間的耦和( spin-orbit coupling )：此自旋與軌道之間的耦和則是屬於弱的作用力，通常認為造成磁晶異向性的原因是來自於此種耦和，而異向能( anisotropy energy )則是克服自旋軌道耦和作用所需的能量。磁異向能即為鐵磁性物質中的飽合磁化強度向量在各方向改變的能量差異值，與磁化強度向量在晶體中相對的晶軸有關。對於沿著易軸來說，其磁異向能最小；沿著難軸其磁異向能最大。以立方晶體(如 Ni、Fe 以及其合金)來說，其磁晶異向能的表示式必須考慮到立方對稱性的條件限制︰ (a). 對於磁化方向與三個立方軸其之間夾角的餘弦( α1 α 2 α 3 )表示式中只能包含偶次冪(even-power)項。 (b). 當夾角的餘弦( α x )互換時，表示式必須一樣。因此立方晶體的磁晶異向能可以寫為下式︰ E = K0+K1( α12α 22 + α 22α 32 + α 32α12 ) + K2( α12α 22α 32 ) +…. (1). 其中K0,K1,K2皆為磁異向性常數， α1 ， α 2 ， α 3 分別是磁化方向與三個晶軸方向夾角的餘弦。而K0常數和角度無關，所以可以將之省略。對於Ni和Fe的塊材(bulk) 來說，於室溫下量測得到的實驗值K1和K2分別為表 2.1 所示. 9.

(22) 表 2.1. 鎳與鐵於室溫下量測之磁異向性常數 K1 ( Joule/m3). K2 ( Joule/cm3). Ni. -4.5×103. -2.3×103. Fe. 4.8×104. -1.0×104. 而對於 Ni 和 Fe 的單晶晶體所量測到在不同晶軸方向的磁化曲線則如圖 2.5 所示. (a) 圖 2.5. (b). (a) Ni 與 (b) Fe 的單晶晶體在不同晶軸方向的磁化曲線[8]. 由上可知，對於同屬於立方晶體的Ni和Fe而言，其異向性並不相同。對於Ni來說，從磁易軸到磁難軸的晶軸方向依序為<111>，<110>，<100>；而就Fe而言，其從磁易軸到磁難軸的晶軸方向依序則是<100>，<110>，<111>。由於兩者的磁異向常數K1和K2的值不同，導致了此差異的產生，但其最主要的原因是取決於磁異向常數K1值的正負號，如表 2.2 所示[8]：. 表 2.2. 立方晶系之易磁化方向與K1和K2之關係(a)K1為正值 (b) K1為負值[8]. (a). (b) 10.

(23) 2.3.2 形狀異向性造成此性質的一個重要因素可先由消磁場( demagnetizing field )來說明[8]。考慮一個棒狀磁鐵置於外加磁場( H )後，再將外加磁場移走，則在磁鐵的兩端會形成南北極。因為磁力線的方向是從北極到南極，所以在磁鐵內部的磁力線方向是與外部回歸者相反，亦即其內部本身會產生消磁動作，而內部的磁場即稱之為消磁場( Hd )，其值小於 4πM，故磁鐵的感應磁場( B, B= -Hd +4πM )的方向仍平行於外加磁場方向。但磁鐵的感應磁場分部並不平均，在棒狀磁鐵兩端的感應磁場較小，靠近中心的感應磁場較大，是由於在兩極附近的消磁場較強的緣故，如圖 2.6 所示。因此，在消磁場較小處較易磁化。. 圖 2.6. 棒狀磁鐵內部感應磁場分布[8]. 一物體的去磁場正比於磁化量( M )︰ Hd = Nd M. (2). 其中Nd 為消磁係數( demagnetizing coefficient )，其與物體的幾何形狀有關。當物體的形狀為圓球狀時，其Nd = 4π/3 為一定值，故圓球狀時並無形狀磁異向性。但當物體的形狀為橢圓球狀時，則有形狀異向性的產生[9][10]。對於橢圓球狀來說其三個不等軸 2a、2b、2c 的去磁係數分別為Na、Nb及Nc，且Na + Nb + Nc = 4π。若其物體為扁長橢圓狀或是棒狀時，即a = b≠c，而c為長軸，如圖 2.7 所示，其去磁係數分別為. 11.

(24) Nc =. (. ). ⎤ 4π ⎡ r ln r + r 2 − 1 − 1⎥ ⎢ 2 2 r −1 ⎣ r −1 ⎦ N a = Nb =. 4π − N c 2. (3). (4). 其中 r = c/a。若當物體形狀似長棒狀時，即 r 很大，故上式可改寫為 Nc =. 4π ln 2r − 1 r2. N a = Nb =. 4π − N c ≅ 2π 2. (5) (6). 因此可知在長軸的方向其去磁場係數較小，亦即較易磁化。此即造成形狀磁異向性的來源。. 圖 2.7. 具有形狀異向性之橢圓形粒子，其 a、c 軸不等長[8]. 2.4 陽極氧化鋁簡介 2.4.1 陽極氧化鋁的結構與性質陽極氧化鋁( anodic aluminum oxide, AAO )為一種利用其本身自我組構的特性成長孔洞來形成高密度堆積的六角形(hexagonal) 蜂巢狀奈米直孔結構，且其垂直於金屬面，而直孔端與原鋁金屬間存在一層阻絕層（barrier layer），為一種自我排列的奈米多孔性模板。它具有大小均一的孔洞，且能隨著需求而改變孔洞直徑的大小，並可形成大面積的奈米孔洞陣列，加上其簡單易做且價格低廉，因此廣泛的被應用於成長奈米結構材料上[11][12][13]。 AAO基板有下列幾點特性︰(1).孔徑大小均一（直徑約為l4 nm 到 300 nm），排列有序，孔密度高（約達 109 到 1012 個/cm2 )，可獲得高品質奈米線陣列。(2). 12.

(25) 陽極處理方式採用不同的操作電壓可得到不同的孔洞、孔距與細胞的大小。(3). 電化學的常溫製備方法簡單容易。將金屬和半導體材料蒸鍍到陽極氧化鋁上，可製備出高度有序的一維金屬納米線陣列，使其產生光、電、磁等特性，並可應用於製備垂直高密度介質、光學器件等。. 2.4.2 陽極氧化鋁基板上的薄膜成長模式我們先定義各孔洞間包圍的區域為 corner region，孔洞與孔洞之間的區域則為 interpore region，其直徑分別為δ和λ，如圖 2.8 所示[14]。於一般自然的情況下，物質皆傾向於以最低自由能的狀態來存在，所以在成核成長的過程時，原子或是原子團沉積在基板的表面必會找一個最能夠降低其能量的成核位置。由於金屬元素的高表面自由能會使得金屬薄膜沉積在氧化物基板上時，將傾向於島狀成長模式(island growth mode)成長。而磁性材料大多被濺鍍在 corner region 和 interpore region 這些區域，且以較大面積的 corner region 為主[15]。 corner region 尺寸 (δ)可簡化如下(其中φ為孔洞直徑)： δ= ﹝(φ+λ) ×. 圖 2.8. φ 3 2 × － 2 ﹞× 2 ～0.155φ＋1.155λ 2 3. interpore regionλ和 corner region δ的尺寸[14]. 13. (7).

(26) 圖 2.9 Pt 奈米柱的 SEM 圖，分別為(a)375s，(b)750s，(c)1500s 在 AAO75 膜面。 (d)奈米柱在 AAO 膜面的示意圖 [14]. 我們以 Pt 濺鍍在不同孔洞大小的 AAO 基板來說明。圖 2.9 為 Pt 濺鍍在孔洞直徑為 75 nm 的 AAO 上，隨著濺鍍時間增加可明顯看出其柱狀之奈米結構。故由圖可知磁性材料可長在 corner region 和 interpore region 形成奈米結構。若是改為孔洞直徑為 206 nm 的 AAO(以 AAO206 表示)基板，則會因為 AAO206 表面有較大的 interpore distance，較多的 Pt 原子附著其上形成原子團，原子團傾向隨機形成在孔洞的邊緣，隨著濺鍍時間變長，原子團開始形成奈米柱狀後會逐漸互相連結形成 Pt. networks。. 14.

(27) 圖 2.10 在 AAO 膜面的奈米柱成長機制圖(interpore sizeλ,孔洞直徑 φ) [14]. AAO 表面尺寸會限制其磁性材料之成長，如圖 2.10。已測知 Pt 晶粒尺寸是 10 nm，可用來預估在不同型式下 Pt 原子形成的形狀。奈米柱的成長只有在 interpore 尺寸小於 10 nm 時受限於 corner region。所以，令 λ=10 nm，得到的方程式就是圖 2.10 上面的虛線的方程式，在這虛線以上是不會有奈米柱形成的。如果 corner region 尺寸小於 10 nm，式 7 δ= 0.155φ+1.155λ 可寫成代入 δ=10 nm，得到. λ=0.8668δ- 0.134φ. (8). λ= 8.66-0.134φ，這條方程式就是圖 2.10 下面那條虛線。. 在(Ι)區域：因有較大的表面尺寸(λ＞10 nm)，而有連續的 Pt 原子團形成 networks(如 AAO133，AAO206)。在(ΙΙ)區域：λ＜10 nm，δ＞10 nm，Pt 原子成長受限而形成獨立奈米柱(如 AAO75 )。. 15.

(28) 在(ΙΙΙ)區域：為小的表面尺寸(λ＜10 nm，δ<10 nm)，限制了成核作用。從能量的觀點，corner regions 有較高的表面自由能，所以有較多的成核作用在此區發生。而降低表面自由能，Pt 成長繼續進行，此奈米柱也會在 corner regions 形成，但是無法明顯看出是各自獨立的奈米柱(如 AAO24)。 Pt 的晶粒尺寸由 Scherrer’s formula 估算出大概為 10 nm。因此在 AAO75 下，與 Pt 晶粒相較之下有較大的 corner regions 和較小的 interpore regions，Pt 原子的沉積限制在 corner regions 形成奈米柱。在 AAO133 和 AAO206 下，corner regions 和 interpore regions 都大於 Pt 晶粒尺寸， Pt 原子沉積在 corner regions 與 interpore regions 的機率相等，於是 Pt 原子團形成 networks，並且會逐漸變成 Pt 連續薄膜。而 AAO24，其 corner regions 和 interpore regions 都小於 Pt 晶粒尺寸，也會形成 Pt 奈米柱，但獨立性較不明顯。在本實驗中，將觀察各自獨立垂直排列的鎳鐵奈米柱在不同孔洞大小的 AAO 膜板上的結構，分析其成長機制以及磁性質，爾後將可應用在磁記錄媒體上[16]。. 2.5 鐵磁共振鐵磁共振 ( Ferromagnetic resonance, FMR )是鐵磁性物質的自發磁矩在外加磁場的作用下產生能階分裂的一種現象，如果輸入的電磁波(大約為微波頻段)能量與能階差值剛好相同，則系統就會對此電磁場產生強吸收。也可以以古典模型來說明，原子內部的磁耦極矩在外加的一磁場下受到一力矩影響，造成電子自旋沿著外加磁場的方向進動，而當外界的交流電磁場與進動的自然共振頻率相符合時，電子的進動就會吸收交流場的能量而產生共振現象，所以在外加磁場下，將會吸收特定頻率的微波。鐵磁性物質的退磁場也是造成影響共振的一項重要因素，因此必須考慮共振樣品形狀的影響。當鐵磁體內交換作用場與磁矩平行時，磁轉矩為零，故對共振無影響；另外鐵磁體內磁晶各向異性對共振也會有影響，可以看作在磁矩附近的 16.

(29) 易磁化方向存在磁晶各向異性有效場。鐵磁共振效應中的自旋共振頻率符合下式︰. f =. μ 0γ ( H 0 )( H 0 + M s ) 2π. (9). 上式裡f為微波頻率，μ0為真空磁導率，γ為旋磁比，Ms為飽合磁化強度，H0為外加磁場。因此可以知道鐵磁共振效應與飽合磁化強度有關。其中磁化強度 M 為 M =. N mm V. 又 mm = gmB. (10). 上式裡，N 為體積內的磁耦極數，V 為體積， mm 為磁耦極磁化量，g 為朗德因子 (Lande g factor)， m B 為波爾磁矩(Bohr magneton)磁化量。而朗德因子為一個各向異性的因子，所以 g 的大小會隨外加磁場方向而改變。因此飽合磁化強度Ms和g成正比，並且可以預期鐵磁共振效應會與鎳鐵薄膜的厚度會有相關的影響。鐵磁共振是研究鐵磁體中動態過程和測量磁性參數的重要方法，也是微波磁物件(如鐵氧體的隔離器、環行器和相移器)的物理基礎。. 17.

(30) 第三章樣品製備與檢測 3.1 實驗流程 _. 本實驗利用電子束蒸鍍系統(electron beam evaporator)來製備Al2O3( 11 00 ) / V / NiFe的樣品以及用濺鍍系統(sputtering)來成長AAO/NiFe，再將之做各種量測，例如磁光柯爾效應(Mangeto-Optical Kerr Effect, MOKE)及震動樣品磁性量測儀 (vibrating-sample magnetometer, VSM)用來量測薄膜的磁滯曲線，X-ray 繞射分析儀(X-ray diffraction, XRD)來做晶體結構的分析，磁力顯微鏡(magnetic force microscope, MFM)來觀察磁性薄膜的表面磁區及磁壁分布，掃瞄式電子顯微鏡 (scanning electron microscope, SEM)來觀察樣品成長的外觀。. 3.2 電子束蒸鍍系統與樣品製備 _. 在此研究中，我們利用電子束蒸鍍系統來製備Al2O3( 11 00 )/V/NiFe的樣品。其基本原理為於燈絲端加一負高電壓約 6000 伏特，並於燈絲通入電流約 20 安培，使燈絲產生約數十毫安培之發射電流，如此將使電子獲得足夠的能量而發射出來，再利用永久磁鐵將電子束導向鍍料，使電子束撞擊在鍍料上而產生熱能，其架構如圖 3.1，當熱能累積超過鍍料的蒸發溫度時，則會使鍍料蒸發，且蒸鍍物質的平均自由路徑大於蒸鍍源至基板之間的距離，使得分子團在沉積於基版之前不易與其他的氣體分子相碰撞，進而達到鍍膜的目的。. 圖 3.1. 電子束蒸鍍細部架構. 而本電子束蒸鍍系統由主腔體、承載室、機械幫浦、渦輪分子幫浦及冷凍幫 18.

(31) 浦所組成。如圖 3.2、3.3：. 石英震盪膜厚計位置控制器. 機械幫浦. 樣品座擋版. 樣品座. 承載室. 主腔體. 樣品傳輸桿. 冷凍幫浦 E-Gun. 渦輪分子幫浦. 機械幫浦. E-Gun擋版. 圖 3.2. 圖 3.3. 電子束蒸鍍系統示意圖[17]. 電子束蒸鍍系統實體圖. 主腔體內有電子槍、石英震盪膜厚計、離子真空計及XYZ三軸樣品移動器等設施，與承載室和冷凍幫浦連接，是進行鍍膜的地方。冷凍幫浦提供主腔體超高真空度之維持，其原理係為利用 10K左右的低溫環境，使吸附板吸附腔體中的水氣與氣體分子，以達到超高真空的目的，一般可保持主腔體的壓力在 1¯10-8torr 的真空度，以維持腔體內部良好的鍍膜環境。另備有一機械幫浦於真空度維持 19.

(32) 上，功用為主腔體之粗抽以及冷凍幫浦之後抽。承載室為一將樣品由一大氣壓下降至與主腔體相差一個數量級壓力的前置空間，待壓力值達到目標區間約 2¯10-7torr，再將樣品送入主腔體，以防水氣或其他氣體進入，影響鍍膜品質，和主腔體與渦輪分子幫浦連接。渦輪分子幫浦將承載室抽氣致 2¯10-7torr，以便將樣品由承載室送至主腔體，而不至於有太大的壓力差。亦備有一機械幫浦作為渦輪分子幫浦之後抽。在主腔體上有一個樣品旋轉平移器，可將樣品做 XYZ 三方向的移動與 360 度之轉動，以便調整鍍膜時樣品位置。樣品傳輸桿前端是為一螺牙，可將樣品座固定住，再經由承載室送至主腔體之樣品旋轉平移器，進行鍍膜製程。 _. 我們一共製備了四片樣品，為Al2O3( 11 00 )/V/NiFe系統，改變的參數為成長 NiFe的溫度，分別為 100℃、300℃、400℃、500℃，釩的厚度為 200Å，上層鎳鐵的厚度為 116Å，為主要鐵磁訊號層。基板的清洗步驟為利用丙酮、酒精、DI water 依序分別置於超音波震洗機震洗 5 分鐘，再利用氮氣槍吹乾表面，接著置於烤箱烤乾多餘的水分。鍍膜時先將三氧化二鋁基板加熱到 700°C持溫 1 小時清潔基板表面然後再開始鍍膜，釩層成長溫度亦為 700°C，而鎳鐵層則分為 500°C、 400°C、300°C、100°C，成長壓力大約是 1.7¯10-8torr，成長速率約為 0.03Å/s，樣品結構如圖 3.4 所示： NiFe. 116Å ( 100°C、300°C、400°C、500°C ) V 200 Å _. Al2O3 ( 11 00 ) _. 圖 3.4 Al2O3( 11 00 )/V/NiFe系統樣品結構與成長條件. 3.3 濺鍍系統與樣品製備本研究中利用濺鍍系統來製備AAO/NiFe。其主要原理為在真空環境下，將 20.

(33) 上下兩端極板通電(基板陽極、靶材陰極)，利用電場使兩極間產生電子，並於腔體內通入氬氣(Ar)。這些加速電子會與氬氣碰撞，使其產生輝光放電(glow discharge)，亦即使 Ar氣體原子的解離成 Ar→Ar+＋e-，而 Ar+離子會受陰極（靶材）吸引而撞擊靶材，被撞擊的靶材表面原子因接受入射離子的動量，對靶材表面下原子造成壓擠使其發生移位，會產生垂直靶材表面的作用力而把表面原子碰撞出去，這些被碰撞出去的原子（沿途尚可將中性氬原子碰撞成帶正電），最後沉積在基板（陽極）上形成薄膜，如圖 3.5 所示。. 圖 3.5. 濺鍍原理示意圖. 而本濺鍍系統由主腔體、機械幫浦、渦輪分子幫浦及 Ar 氣瓶所組成。如圖 3.6 及圖 3.7 所示︰. 21.

(34) 圖 3.6. 圖 3.7. 濺鍍系統示意圖. 熱蒸鍍儀器實體圖. 我們一共製備了十二片樣品，為 AAO/NiFe 系統，基板選用陽極氧化鋁，型號為 Whatman Anodisc 13，基板直徑為 13mm，厚度約為 60μm，目視基板表面可看出有外環者為孔徑 20nm，另一面無外環者則是孔徑 200nm，如圖 3.8。其他相關規格如表 3.1 所示，圖 3.9 則為利用掃描式電子顯微鏡所拍攝之影像。我們分別在孔徑大小為 20nm 的 AAO(後面皆以 AAO20 表示)以及孔徑大小為 200nm 的 AAO(後面皆以 AAO200 表示)上濺鍍鎳鐵膜，鍍膜改變的參數為成長 NiFe 的時間。在濺鍍時並無利用石英震盪膜厚計，因此我們則是先利用黃光微影製作帶有圖形的基板，再放入腔體裡選用功率為 20W 來進行濺鍍，時間為 600 秒，接 22.

(35) 著進行舉離以便使基板上只剩下薄膜，再利用原子力顯微鏡來做膜厚的量測，故可得知在此功率下的鍍率。由於AAO基板很薄且易碎，因此基板不做任何的清洗，而僅利用氮氣槍稍微清潔表面，接著再進行濺鍍的步驟。鍍膜時先用機械幫浦將腔體壓力粗抽至 3×10-2 torr，接著再利用渦輪分子幫浦抽至 3×10-5 torr，通入Ar氣體然後再開始鍍膜，成長壓力大約是 5.7¯10-3 torr，濺鍍的功率為 20W，時間依序是 30sec、60sec、 120sec、180sec、360sec以及 720sec，成長速率約為 1.89Å/s，樣品結構如圖 3.10 所示。. 圖 3.8. AAO 基板判別方法(a)孔徑為 20nm (b)孔徑為 200nm. 圖 3.9. 利用掃描式電子顯微鏡所拍攝之影像[18]. 23.

(36) 表 3.1. 陽極氧化鋁基板相關型號規格參數[19]. NiFe ( 30sec、60sec、120sec、180sec、360、720sec ) AAO20、AAO200 圖 3.10 AAO/NiFe 系統樣品結構與成長條件 3.4 磁光柯爾效應 (MOKE)量測磁光效應(Mangeto-Optical effect)的原理是當一入射光穿透鐵磁性物質或是由其表面反射時，由於光的電場(E)與磁場(H)和鐵磁性物質的自發性磁化強度 (Ms)產生交互作用的影響，使得光的偏振狀態改變。最早是於十九世紀時由法拉第(Faraday)所做出，方法是將一玻片置於兩個磁極之間，再利用一道線偏振光，並使此線偏振光通過磁極間之玻片，由於組成線偏振光的左旋圓偏振光與右旋圓偏振光在通過磁性物質時會有不同的折射率，因此使線偏振光產生偏轉，此稱為磁光法拉第效應(Mangeto-Optical Faraday Effect, MOFE)。而在十九世紀末時，柯爾(Kerr)發現到一線偏振光經一磁性物質反射之後，反射光會變成橢圓偏振光，而且其長軸會稍稍偏離原入射光的偏振面，此夾角稱之為柯爾旋轉角(Kerr 24.

(37) rotation angle, φk )，如圖 3.11 (a)所示，這是由於光在物質中的折射率是與光的行進方向和物質的磁化方向間的夾角餘弦有關所造成的，此稱為磁光柯爾效應 (Mangeto-Optical Kerr Effect, MOKE) [20]。依照實驗裝置的不同，磁光柯爾效應通常分為三種： (1) 極向柯爾效應(Polar-MOKE, PMOKE)：磁化方向(M)與樣品表面垂直，且與入射光入射平面互相平行。圖 3.11 (b) (2) 縱向柯爾效應(Longitudinal-MOKE, LMOKE)：磁化方向(M)與樣品表面平行，且與入射光入射平面互相平行。圖 3.11 (c) (3) 橫向柯爾效應(Transverse-MOKE, TMOKE)：磁化方向(M)與樣品表面平行，且與入射光入射平面互相垂直。圖 3.11 (d). (a). (b). (c) 圖 3.11. (d). (a)反射光在極化方向上的改變 (b) PMOKE (c) LMOKE (d) TMOKE 25.

(38) 此實驗量測採用本實驗室自行架設之 LMOKE，裝置方法如圖 3.12 所示。入射光由 He-Ne 雷射所提供，其波長為 633 nm，波段相當於可見光之紅外光區，而輸出功率為 10mW，雷射光經線性起偏鏡(polarizer)後變成線性偏振光，再經由樣品反射後，其反射之橢圓偏振光先經過檢偏鏡(analyzer)，再經由光二極體接收訊號，使光電流轉換成電壓，最後由數位電表( digit multimeter )和電腦讀取處理。. 圖 3.12 LMOKE 裝置示意圖. 3.5 震動樣品磁性量測儀(VSM)量測其基本量測方法及原理為將樣品置於一由感應線圈圍繞而產生的磁場下，再將樣品做微幅的震動，而隨著震動及外加磁場的改變可以得到磁通量，以此方法可以來得知樣品隨外加磁場改變時其磁化量強度的變化，如圖 3.13 所示。而量測方法通常分為兩種，一種為樣品膜面平行外加磁場，另一種則為樣品膜面垂直外加磁場。在本研究中，我們使用南台科技大學奈米科技研究中心的VSM，型號為Lake Shore 7400，磁場強度最大可以達到 31000Oe，磁矩可偵測的範圍為 26.

(39) 10-7emu~1000emu，如圖 3.14 所示。. 圖 3.13 VSM 量測示意圖. 圖 3.14 VSM 量測機台實體圖. 3.6 X-ray 繞射分析儀(XRD)量測我們利用 X-ray 繞射分析儀來做晶體結構的分析。在結晶的物質中，固體內部的原子在空間中有著週期性的規則排列，而這些排列規則的點稱之為晶格點 (lattice point)，由這些點組成的平面稱之為晶面。我們以不同的米勒指數(Miller. 27.

(40) index) (h k l)來表示各原子的晶面族。量測的主要原理是利用布拉格繞射原理( Bragg’s law )，圖 3.15 所示：. 2d sin θ = nλ. (9). 其中 d 為相鄰兩晶面間距，θ 為入射光與入射面之間的夾角，λ 為入射光之波長。若在某些散射角度其相鄰晶面的散射波相位相同，且光程差為波長的整數倍時，則會產生建設性干涉。由於 X-ray 的波長大約為 1 Å，所以適合做晶格結構之分析。. 圖 3.15. 布拉格繞射原理[21]. 掃描時，樣品旋轉 θ 角，detector 則以 2θ 角度做同步的旋轉，並且當符合布拉格定律，且其所對應的結構因子不等於零時，detector 則可以在該特定的 2θ 角度收到繞射訊號，以此掃描方法得到之繞射峰，其相應的晶面則一定是平行於樣品表面。當樣品為粉末時，由於各種晶面都是隨意分佈的，因此可以在某些區域內找到某些晶面剛好是平行於樣品表面的情況，故可以得到在繞射儀角度限制內各個晶面所對應的繞射峰。但對於磊晶薄膜或是單晶塊材而言，此掃描方法只能得到某一族晶面(平行樣品表面的晶面)的繞射峰。在此研究中，我們使用的儀器為Rigaku公司所出產型號為Ultima IV的X-ray. 28.

(41) _. 繞射儀來量測Al2O3( 11 00 )/V/NiFe系列的樣品，其最大輸出功率為 3KW， 20~60KV，2~60mA，使用銅靶輻射，其Kα波長為λ=1.5418 Å。另外也使用中研院之X-ray繞射儀，型號為Philips pw3040 來做AAO/NiFe系列的樣品分析。. 3.7 磁力顯微鏡(MFM)量測原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)的主要結構是由探針、震盪裝置、掃瞄器、樣品載台、訊號處理與控制回饋電路等所組成。量測的原理是為利用探針和樣品之間相互的作用力來影響探針懸臂的彎曲度，同時使二極體雷射將雷射光打在懸臂樑探針背面，反射光由感光二極體偵測器(PSPD)接收後再藉由回饋電壓訊號來控制 Z 軸壓電陶瓷晶體做上下移動，來維持針尖與樣品表面的距離，加上對樣品表面進行來回不斷的感測掃描，便可利用此訊號來呈像。而磁力顯微鏡(Magnetic Force Microscope, MFM)則是將原子力顯微鏡的探針換成具有磁性的探針，在測量表面形貌時同步量測磁區的分布情況，可以分析表面結構和磁區結構之間的關聯性，也可以繪出磁力影像與表面高度幾何形貌的關係。目前所使用的探針為在 Si 探針上鍍上 Co/Cr 的探針。量測基本原理是利用磁性探針和磁性樣品表面間的磁作用力來感應磁力梯度之變化，由樣品表面所產生的游離磁場會作用在懸臂的磁性探針上；而一個偏向感測器會被用來偵測懸臂的運動因此能測出作用力或作用力強度梯度的變化。為了使磁力影像包含表面高低變化，採取兩段式掃瞄，首先利用原子力顯微鏡得到樣品表面高度變化，然後再把探針拉起一高度，使探針沿著原路徑的軌跡作第二次掃瞄，此時，探針與樣品表面維持固定距離(即提起的高度)，然後再記錄因磁力造成探針振動頻率、相位或振幅產生的變化，以此方式同時量取表面變化及磁力影像，如圖 3.16 所示[22]。. 29.

(42) 圖 3.16 (a) MFM 探針掃描路徑過程. (b)成像訊號示意圖[22]. 而在本實驗裡，我們使用的機台為 Park Systems XE-100 原子力顯微鏡，如圖 3.17 (a)所示，探針型號為 Nanosensors PPP-MFMR-20。由於量測 MFM 需要外加一磁場於樣品處，因此我們另外架設一小型電磁鐵於機台內部，透過外部電源供應器以及電磁鐵擺設方式可以使其產生水平方向的磁場，以此來達到我們量測所需的條件，如圖 3.17 (b)。. (a) 圖 3.17. (b). 本實驗之磁力顯微鏡實體圖及量測擺設裝置圖 30.

(43) 3.8 掃瞄式電子顯微鏡(SEM)量測 SEM 的基本原理[23]為利用加熱燈絲使靜電聚焦之後，形成一約 10 μ m ～ 50 μ m 大小的點光源之後，在陽極處施予一加速偏壓，經過 2 到 3 個電磁透鏡所組成的電子光學系統，可以匯聚成一直徑約為 5nm~10nm 之電子束並聚焦到樣品表面上。於末端透鏡裝有一掃描線圈，可以使電子束在樣品上掃描。成像信號可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。其中二次電子是最主要的成像信號。由電子槍發射的能量為 5~35 keV 的電子，以其交叉斑做為電子源，經二級聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃描線圈驅動下，於試樣表面按一定時間、空間順序作柵網式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產生二次電子發射（以及其他物理信號），二次電子發射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號被探測器收集轉換成電訊號，經視頻放大後輸入到顯像管柵極，調製與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的二次電子像。我們所使用的機台為屏東教育大學材料特性實驗室的 SEM，如圖 3.18 所示，型號為 JSM-6390，放大倍率為 5~300,000 倍，加速電壓為 0.5~30KV，解析度可達 3nm(30KV)。. 圖 3.18 SEM 機台實體圖 31.

(44) 3.8 電子自旋共振(ESR)量測電子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)，其原理為調控一外加磁場施加於樣品上，使樣品的電子自旋共振頻率改變，再將一固定頻率的微波訊號送入樣品座，當外加場使得樣品的共振頻率到達微波頻率時，即產生共振吸收，在此量測中可以得到一外加場與訊號強度的圖。此研究中，我們使用中興大學貴儀中心的電子順磁共振光譜儀來做 AAO/NiFe 系列的樣品量測，型號為 Bruker EMX-10/12，12 kW 功率，最高磁場強度可達 1.45 T。. 32.

(45) 第四章結果與討論 Al2O3/V/NiFe. 4.1. 在此實驗中，首先我們先藉著對Al2O3/V/NiFe 系統做改變成長鎳鐵的溫度來做結構的探討以及磁性質的研究，AFM來觀察其鎳鐵膜的表面形貌，以 MOKE、VSM來量測其磁滯曲線的變化，利用XRD來做結構的分析，再以MEM 來觀察其在不同磁場下的磁區變化情形。. 4.1.1. AFM 量測分析. 由AFM的圖中可以觀察到各種不同成長溫度下之鎳鐵膜的表面形貌。而由 _. [3]所知，在Al2O3( 11 00 )基板上鍍上V來做為緩衝層可以使最上層的鎳鐵可以有較平整且良好的二維結構，因此可以知道當鎳鐵的成長溫度為 100℃的時候，其會有往(NiFe[0-11]的方向) [24]成長的傾向，此時晶粒形狀似為一橢圓球狀而大小約為 10nm，粗糙度大約為 0.16nm。當鎳鐵成長溫度上升為 300℃時，橢圓球狀晶粒增大到約為 23nm，而其平均粗糙度為 0.22nm，如圖 4.1 所示。. 圖 4.1. 鎳鐵成長於不同溫度下之 AFM (a)100℃ (b)300℃. 而圖 4.2 為鎳鐵成長於 400℃以及 500℃的情形，同樣可以看出在隨著成長 33.

(46) 溫度提高的時候，鎳鐵薄膜的晶粒持續呈現增大的趨勢，並且一樣都是呈有序且同方向成長的結構，但是並無明顯拉長條的情況。表 4.1 為各成長溫度下鎳鐵膜的晶粒大小及平均粗糙度。. 圖 4.2. 鎳鐵成長於不同溫度下之 AFM (a)400℃ (b)500℃. 表 4.1. 鎳鐵晶粒大小於不同成長溫度下之變化. 100℃. 300℃. 400℃. 500℃. 晶粒大小. 10 nm. 23 nm. 30 nm. 39 nm. Roughness average. 0.16nm. 0.22nm. 0.38nm. 0.20nm. 4.1.2. XRD 量測分析. 利用X-ray繞射分析的參數條件為施以電壓 40KV、電流 40mA的能量來激發銅靶，掃描速率為 0.5°/min，並於每 0.05°量測一點。由圖 4.3 之XRD得到的結果，發現在角度為 77.10°時出現了V為bcc(211)的繞射峰，而在 2θ = 41.36°的位置有一小繞射峰並非是Bragg峰，這是由於堆積錯誤(stacking faults)造成局部無序的結果，此結果與文獻[24]相同。因此可知在V為種子層時，藉由溫度的改變來成長 34.

(47) 鎳鐵膜並不會產生其他的晶相。此外在 2θ角度為 33.07°時有一小繞射峰，此為 _. Al2O3( 11 00 )空基板的訊號。. Al2O3(1-100) / V / NiFe. Intensity (cps). 500C 400C 300C 100C Al2O3 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 2 theta (degree) _. 圖 4.3 Al2O3 ( 11 00 ) / V(200Å) / NiFe(116 Å) 的X-ray繞射結果. 4.1.3 MOKE 量測分析由結構上的討論可知在 NiFe 合金薄膜之主要結構為(211)，並且其薄膜成長方向是呈現往 NiFe[0-11]的方向，並對此做 LMOKE 的量測來觀察其膜面與外加磁場變化方向之間的關係。而根據式(5)可知，當鐵磁性層的厚度非常薄時，其有效總磁異向性可以忽略掉塊材所貢獻的磁異向性常數，而只考慮表面磁異向性常數。圖 4.4 為在鎳鐵成長溫度為 100℃的時候，利用 LMOKE 的量測結果，其中 0°表示外加磁場的方向平行於鎳鐵膜晶體磁易軸之方向，90°表示外加磁場的方向垂直於磁易軸之方向。當外加磁場方向與磁易軸方向平行時，其呈現出近乎於一完整的方形曲線，亦即方正度高，此時的矯頑場為 26Oe；在磁易軸與外加 35.

(48) 磁場夾角為 20°時曲線與矯頑場幾乎仍與 0°相同；30°後曲線則開始有了變化，到了 50°時其方正度為 0.83；70°時磁滯曲線呈現明顯的斜長形，矯頑場也因為拉長的關係而增加到 57Oe，方正度則為 0.59；當外加磁場垂直磁易軸時，方正度只剩下 0.29。因此可以知道當鎳鐵的成長溫度為 100℃的時候就已經有開始往某一方向成長狀的趨勢之外，其成長的方向也為磁易軸的方向，即往 NiFe[0-11]的方向，與之前所提到的磁晶異向性有所相關。當鎳鐵成長溫度為 300℃的時候，於外加磁場方向與磁易軸方向平行量測，其也呈現出一方正度高的磁滯曲線，此時的矯頑場增加到 41Oe。與 100℃相同的是約為 70°時磁滯曲線呈現出明顯的斜長形，並且在 90°的時候，方正度達到最低，其值為 0.15，如圖 4.5 所示。圖 4.6 和圖 4.7 分別表示鎳鐵成長溫度為 400 ℃以及 500℃時，其外加平行磁場於各個角度的磁滯曲線變化，兩者在 40°以前的磁滯曲線方正度仍可在 0.85 左右；於 50°時，500℃的方正度稍為較差，值為 0.57；而在外加場方向垂直於磁易軸時，方正度均為最差，表示此時同樣呈現出有磁易軸和磁難軸的情況。表 4.2 為 LMOKE 量測於各個溫度對應不同外加水平磁場角度的矯頑場值。. 表 4.2. 成長溫度對應不同外加水平磁場角度的矯頑場(Oe)量測. 角度. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100℃. 26. 31. 32. 31. 32. 34. 39. 57. 72. 48. 300℃. 41. 42. 42. 44. 56. 75. 103. 125. 129. 61. 400℃. 50. 50. 51. 51. 51. 56. 54. 47. 36. 26. 500℃. 83. 83. 81. 81. 79. 77. 75. 74. 66. 58. 溫度. 36.

(49) _. Al2O3 ( 11 00 )/V(200Å)/NiFe(116 Å) 100℃. Kerr Intensity (a.u.). deg0 deg10 deg20 deg30 deg40 deg50 deg60 deg70 deg80 deg90. -300. 0. 300. H (Oe) 圖 4.4. NiFe(116 Å)成長溫度為 100℃時的 LMOKE 結果. 37.

(50) _. Al2O3 ( 11 00 )/V(200Å)/NiFe(116 Å) 300℃. Kerr Intensity (a.u.). deg0 deg10 deg20 deg30 deg40 deg50 deg60 deg70 deg80 deg90. -400. 0. 400. H (Oe) 圖 4.5. NiFe(116 Å)成長溫度為 300℃時的 LMOKE 結果. 38.

(51) _. Al2O3 ( 11 00 )/V(200Å)/NiFe(116 Å) 400℃. Kerr Intensity (a.u.). deg0 deg10 deg20 deg30 deg40 deg50 deg60 deg70 deg80 deg90. -400. -200. 0. 200. 400. H (Oe) 圖 4.6. NiFe(116 Å)成長溫度為 400℃時的 LMOKE 結果. 39.

(52) _. Al2O3 ( 11 00 )/V(200Å)/NiFe(116 Å) 500℃. Kerr Intensity (a.u.). deg0 deg10 deg20 deg30 deg40 deg50 deg60 deg70 deg80 deg90. -600. -400. -200. 0. 200. 400. 600. H (Oe) 圖 4.7. NiFe(116 Å)成長溫度為 500℃時的 LMOKE 結果. 40.

(53) 1.1. 100C 300C 400C 500C. Squareness (Mr / Ms). 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0. 20. 40. 60. 80. 100. degree 圖 4.8. NiFe(116 Å)於不同溫度成長時的磁滯曲線方正度變化. 從 MOKE 量測的結果可以發現到，在各種成長溫度之下，0°時磁滯曲線的方正度最好，90°的方正度最差，因此其應為單軸磁異向性的關係所造成的，圖 4.8 為方正度之變化。再對照之前 AFM 的量測，由於鎳鐵薄膜的晶粒狀並無明顯隨著溫度增加而拉長，因此單軸磁異向性應該是來自於磁晶異向性。再由觀察矯頑場的變化，我們發現到在 100°和 300°時，外加磁場從樣品磁易軸方向到磁難軸方向的矯頑場是逐漸變大，此時磁化反轉的機制為磁壁的運動；而在 400° 和 500°時的矯頑場變化是逐漸變小，這時則是呈現一致性的轉動。. 4.1.4. VSM 量測分析. 從VSM的量測結果得到在外加磁場方向平行於磁易軸時，鎳鐵成長溫度為 100℃的飽合磁化量為 3949 gauss，而在 300℃的飽合磁化量則上升為 4660 gauss，是因為於 300℃時鎳鐵的成長方向持續沿著，並且造成更多磁矩的排列方向是沿著磁易軸的緣故。但在鎳鐵成長溫度為 400℃時，其飽合磁化量降到 1848 41.

(54) gauss，這是因為在較高溫的時候，作為種子層的釩有些許的擴散到鎳鐵膜中，導致鎳鐵合金的比例不再為原先的Ni80Fe20，故使得飽合磁化量驟降[25]。於 500℃成長的鎳鐵膜，飽合磁化量較 400℃時的略高，其值為 1930 gauss，推測是由於其依然沿磁易軸成長且晶粒尺寸更大，相對使得因為釩造成擴散的影響變小所致。而在外加磁場方向垂直於磁易軸的部份，也呈現出與 MOKE 相同的變化。在 400℃與 500℃的時候，由於其磁化量降低，所以磁滯曲線受到雜訊擾動時容 _. 易呈現較為粗糙的狀況。圖 4.9～圖 4.12 為Al2O3 ( 11 00 ) / V(200Å) / NiFe(116 Å) 的鎳鐵於不同成長溫度下所量測的VSM結果，0°表示外加磁場的方向平行於鎳鐵膜磁易軸之方向，90°表示外加磁場的方向垂直於磁易軸之方向。表 4.3 為各個樣品的面積、膜厚與飽合磁化量，其中在外加磁場平行磁易軸的時候所表現出的方正度最好也較穩定。施加磁場垂直於樣品時之VSM，顯然的，在垂直方向上是有遲滯的，表示樣品亦具有垂直磁異向性，尤其是 300℃的樣品垂直方向上有一個暫穩態，而 300℃、400℃、500℃的樣品其垂直方向取得的Ms值較平行方向來的低很多則是因為磁矩在垂直方向上需要更高的磁場才能使得樣品達到飽合，但顯然的 100℃樣品則不需要。. 表 4.3 鎳鐵膜於不同成長溫度下所對應的數據鎳鐵成長溫度. 面積(cm2). 膜厚(nm). 飽合磁化量 Ms(gauss). 100℃. 0.6878. 116. 3949.46. 300℃. 0.6515. 116. 4660.77. 400℃. 0.5437. 116. 1848.17. 500℃. 0.4565. 116. 1930.69. 42.

(55) 表 4.4 不同軟磁材料相應的磁性質[25]. Magnetization (emu/c.c). 400. deg0 (emu/cc). 100C. 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -3000. -2000. -1000. 0. 1000. 2000. 3000. Applied Field (Gauss) 圖 4.9 NiFe(116 Å)成長溫度為 100℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果. 43.

(56) Magnetization (emu/c.c). 500. deg0 (emu/cc). 300C. 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -3000. -2000. -1000. 0. 1000. 2000. 3000. Applied Field (Gauss) 圖 4.10 NiFe(116 Å)成長溫度為 300℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果. Magnetization (emu/c.c). 200. deg0 (emu/cc). 400C. 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -3000. -2000. -1000. 0. 1000. 2000. 3000. Applied Field (Gauss) 圖 4.11 NiFe(116 Å)成長溫度為 400℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果 44.

(57) Magnetization (emu/c.c). 200. 500C. deg0 (emu/cc). 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -3000. -2000. -1000. 0. 1000. 2000. 3000. Applied Field (Gauss) 圖 4.12 NiFe(116 Å)成長溫度為 500℃時，外加磁場平行膜面的 VSM 結果. 4.1.5. MFM 量測分析. 由於外加磁場平行於磁易軸的磁滯曲線其方正度高，所以我們選用外加磁場平行磁難軸(即垂直磁易軸)的方式來量測其磁區於不同磁場下的變化。而本實驗室自行架設的小型電磁鐵其最大場強僅到 150Oe，因此我們先利用強力磁鐵沿樣品膜面做水平方向的磁化，使其達到飽合態後再移走強力磁鐵做 Mr 狀態下的量測，最後再由小型電磁鐵沿磁化曲線的方向增加磁場進行於 100Oe 和 150Oe 場強時的 MFM 量測。圖 4.13(a)表示為在鎳鐵成長溫度為 100℃時 Mr 的磁區分佈，可以看出此時磁壁的邊界較為明顯，是由於磁矩的排列沿著膜面平躺而呈較為雜亂的分布，而圖 4.13(b)為在磁場 100Oe 時，部份磁矩已經翻轉而使得磁區的分佈較不為明顯，持續加磁場到了 150Oe 趨近於飽合態後，如圖 4.13(c)所示，此時的磁區幾乎都已翻轉，因此磁區呈現單一磁區而無磁區壁，故在 MFM 上已看不到任何的訊號。 45.

(58) 在鎳鐵成長溫度為 300℃時，由圖 4.14 及對照其磁滯曲線圖 4.5，當於外加場為 150Oe 的時候，此時因為還未達到飽合場，因此磁區分佈仍很明顯，但由. MFM 訊號強度可知當施加磁場後 MFM 訊號開始下降，表示各磁區的排列整齊度變好了，因此造成 MFM 訊號下降。在 Mr 狀態之下，其有較佳的 MFM 對比度且由圖 4.14(a)可清楚看出有明顯的亮、暗及中間色澤的區域分佈，由於 MFM 主要僅能偵測到磁矩垂直膜面的貢獻，因此可判定 300℃樣品在 Mr 狀態下應有部分磁矩是垂直膜面朝上或朝下的狀態，而這應該也跟 300℃樣品的垂直方向. VSM 訊號呈現一中間態有關。圖 4.15 為鎳鐵成長溫度為 400℃時的 MFM 影像，在 Mr 狀態時也有較佳的亮暗色澤對比，故同樣也有部份的磁矩是呈垂直膜面的狀態；隨著磁場強度持續增加，大多數的磁矩已朝向磁場的方向，因此磁區的分佈也較不明顯。在 500℃ 之下，由圖 4.16 所知，成長溫度為 500℃的時候，此刻因為晶粒變大且長條狀結構更為明顯，也使得磁區擴大，並且磁場的增加也會使得磁區分佈排列度更好，雖然 150Oe 尚未達到飽合的磁場，但仍可看到由殘磁態到 150Oe 的磁區變化情形。. 圖 4.13 鎳鐵成長溫度 100℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe. 46.

(59) 圖 4.14 鎳鐵成長溫度 300℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe. 圖 4.15 鎳鐵成長溫度 400℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe. 圖 4.16 鎳鐵成長溫度 500℃下之 MFM 結果(a) Mr (b)100Oe (c)150Oe. 47.

(60) 4.2. AAO/NiFe 我們藉著對 AAO/NiFe 系統做改變成長鎳鐵的厚度來做結構的探討以及磁性. 質的研究，以 XRD 來做結構的分析，SEM 來觀察其成長的結構形狀，用 VSM 來量測其於外加磁場平行膜面以及外加磁場垂直膜面而得的磁滯曲線的變化，利用 MFM 來觀察其在不同磁場下的磁區變化情形，ESR 來觀察因薄膜與晶體結構改變的磁性質對樣品鐵磁共振現象的影響。. 4.2.1. XRD 量測分析. 我們使用中研院之X-ray繞射儀，型號為Philips pw3040，操作電壓為 45KV、電流 40mV，激發銅靶的Kα X-ray，掃描速率為 0.2°/min。由於AAO基板很薄且易破碎，因此我們將於AAO/NiFe的背面以雙面膠貼在Si基板上，如此可方便於做量測。另外，此機台量測使用鋁製的樣品座以及主要用來過濾 Kβ的Ni片(filter) 的裝置方式因素，使得入射光也會打到鋁製樣品座而折射出去，導致XRD量測時，也會得到Al的訊號。圖 4.17 為鎳鐵為 720 秒時的AAO20/NiFe以及AO200/NiFe 的X-ray繞射圖。之前提到會得到Al訊號的位置則分別為 38.35°為Al(111)、44.56° 為Al(200)以及 66.45°為Al(220)，此外於 32.89°和 69.08°的地方則有Si(002)和. Si(004)的繞射峰，這是由於AAO基板貼於Si基板所造成的。我們發現了在其他的位置有多根NiFe繞射峰的出現，分別為(002)、(200)、(220)、(221)以及(310)，表示此時鎳鐵膜呈現出多晶的現象。. 48.