鈷薄膜在鐵白金上成長之磁特性研究

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(1)國立臺灣師範大學物理研究所碩士論文. 鈷薄膜在鐵白金上成長之磁特性研究. Investigation of magnetic for Co ultrathin films on Fe/Pt(111) 指導教授：蔡志申博士指導教授：何慧瑩博士. 研究生：阮家治撰. 中華民國一百零二年一月.

(2) 致謝在這兩年多來忙碌的研究生生活，雖然遭遇到不少困難，能夠順利畢業真的要感謝很多人。首先必須要感謝蔡志申教授及何慧瑩教授的指導，在他們身上除了得到學業上的幫助，也讓我學習到做學問應有的態度，也非常感謝口試委員駱芳鈺教授寶貴的意見與指導，使我的論文能夠更完整。我還要特別要感謝博士班的丞勛、培成以及在瑞士的暐翔學長，在我遇到困難時給予不少指導及鼓勵，也要感謝幸璇學姐在我碩一時教導我操作儀器，另外感謝一起在實驗室打拼同學孟宏、智瑜以及函柔和依函，你們都是貼心的夥伴!也感謝詠智學弟和彥維學弟在我忙不過來時，過來支援我，真的很感謝大家。最後還要感謝我的家人，在我最無助的時候給我支持和鼓勵希望家人能夠健康平安，讓我能更無懼的面對困境。這兩年多以來的日子，是我難以忘懷的回憶，謝謝你們也祝福大家！.

(3) 摘要本實驗在超高真空下進行，不同退火溫度的 2 ML Fe/Pt(111)上成長 Co 超薄膜，並且對其進行退火處理的表面結構、成分組成以及磁特性研究，使用分子束磊晶的技術成長 Fe 及 Co 超薄膜，並利用低能量電子繞射儀，歐傑電子能譜儀以及磁光柯爾效應儀，探測樣品的表面結構、成分組成以及磁特性的研究，熱退火處理對 Fe/Pt(111)系統中，當退火溫度超過 570 K 後，從歐傑訊號的變化可以看出 Fe/Pt 介面形成了 Fe-Pt 表面合金，造成其矯頑力與柯爾訊號大幅提升。接著在不同 Fe-Pt 合金形成溫度的系統中成長 Co 薄膜，發現飽和磁化量與殘磁柯爾訊號受原子磁矩等量的增加而呈線性的增長，且矯頑力隨著膜厚上升達最大值，推測矯頑力上升是由於 Co 與下方 Fe-Pt 介面形成交換耦合作用之影響，並且在較低的 Fe-Pt 合金形成溫度，矯頑力提升的幅度較高。而後在 Co/Fe-Pt/Pt(111)退火對磁特性影響的研究中，樣品溫度對磁性的影響在不同 Fe-Pt 合金形成溫度的系統中極為相似，可以發現其磁性隨樣品溫度在 600 K 以下時，受熱效應影響而下降，在 600 以上時由於交換耦合與熱效應同時的影響使得磁性降低。在退火方面，Co/ Fe-Pt/Pt(111)系統中，矯頑力在 600 左右上升至穩定，750 K 後又繼續上升，推測第一階段的上升應是 Fe 與 Pt 形成合金造成此趨勢，而第二階段的上升為 Co 與 Pt 形成合金造成，而飽和磁化量及殘磁柯爾訊號，升溫退火 Co/ Fe-Pt/Pt(111)系統相似，皆無明顯變化，僅在 Co/Fe-Pt/Pt(111)系統中，可以看到在 600 K 以下時柯爾訊號緩降，600 K 以上快速下降，推測此差異應是由於 Co 薄膜與 Fe-Pt 介面的交換耦合效應。. 關鍵詞: 表面合金、鐵鉑合金、磁性、磁交換耦合效應.

(4) 第一章緒論 ................................................................................................................. 1 第二章基本原理 ......................................................................................................... 2 2-1. 2-2. 2-3. 2-4. 薄膜成長................................................................................................ 2 2-1-1. 薄膜成長模式................................................................................ 3. 2-1-2. 影響薄膜成長的因素.................................................................... 3. 鐵磁性物質............................................................................................ 5 2-2-1. 磁性物質的種類............................................................................ 5. 2-2-2. 鐵磁性物質.................................................................................... 9. 2-2-3. 居禮溫度...................................................................................... 10. 磁異向性.............................................................................................. 11 2-3-1. 磁異向能...................................................................................... 11. 2-3-2. 影響磁異向性的因素.................................................................. 14. 表面合金.............................................................................................. 16 2-4-1. 2-5. 2-6. Co-Pt、Fe-Pt 與 Fe-Co 合金之生成熱....................................... 18. Fe/Pt(111)文獻探討 ............................................................................. 21 2-5-1. Fe/Pt(111)成長結構及磁性文獻探討 ......................................... 20. 2-5-2. Fe/Pt(111)在不同退火溫度下成長結構及磁性文獻探討 ......... 22. 2-5-3. Fe/Pt(111)在不同退火溫度下磁性與組成之文獻探討 ............. 26. Exchange spring ................................................................................... 27.

(5) 第三章實驗原理與儀器 3-1. 3-2. 3-3. 3-4. 29. 超高真空系統...................................................................................... 29 3-1-1. 需要超高真空的理由.................................................................. 30. 3-1-2. 超高真空腔與抽氣系統.............................................................. 32. 3-1-3. 樣品清潔與升降溫系統.............................................................. 34. 3-1-4. 蒸鍍系統...................................................................................... 36. 3-1-5. 氣體管路...................................................................................... 38. 3-1-6. 其他系統...................................................................................... 39. 歐傑電子能譜儀.................................................................................. 40 3-2-1. 歐傑效應...................................................................................... 40. 3-2-2. 歐傑電子能譜.............................................................................. 42. 3-2-3. 阻滯電場分析儀.......................................................................... 44. 3-2-4. 歐傑電子能譜術的應用.............................................................. 46. 低能量電子繞射儀.............................................................................. 61 3-3-1. 低能量電子繞射儀之基本原理.................................................. 61. 3-3-2. 阻滯電場分析儀( RFA-LEED )工作原理 .................................. 63. 表面磁光柯爾效應.............................................................................. 65 3-4-1. 磁光柯爾效應.............................................................................. 65. 3-4-2. 表面磁光柯爾效應儀(SMOKE)及其測量原理 ......................... 67. 3-4-3. 表面磁光柯爾效應儀的元件...................................................... 69. 3-4-4. 表面磁光柯爾效應儀的元件...................................................... 71.

(6) 第四章實驗結果與討論 ........................................................................................... 72 4-1. 退火溫度對 2 ML Fe/Pt(111)之磁性變化............................................. 72. 4-2. x ML Co 於 2 ML Fe-Pt/Pt(111)與 2 ML Fe/Pt(111)系統成份與磁性研究 ...................................................................................... 74. (一). x ML Co 於 2 ML Fe-Pt/Pt(111)與 2 ML Fe/Pt(111)成份 ..................... 74. (二). x ML Co 於 2 ML Fe-Pt/Pt(111)與 2 ML Fe/Pt(111)成份比較 ............. 75. (三). x ML Co/2 ML Fe /Pt(111)磁性討論 ..................................................... 77. (四). x ML Co/2 ML Fe-Pt(650 K)/Pt(111)磁性討論 .................................... 79. (五). x ML Co/2 ML Fe-Pt(700 K)/Pt(111)磁性討論 .................................... 80. (六). x ML Co/ 2 ML Fe-Pt(800 K)/Pt(111)磁性討論 ................................... 81. (七). x ML Co 於 2 ML Fe-Pt/Pt(111)與 2 ML Fe/Pt(111)磁性比較 ............ 83. 4-3 10 ML Co 在 2 ML Fe-Pt/Pt(111)與 2 ML Fe/Pt(111)升溫成分與磁性研究 (一) 10 ML Co /Pt(111)與 2ML Co/2 MLFe/Pt 退火成份研究. 84. (二) 10 ML Co 在 2 ML Fe-Pt/Pt(111)與 2 ML Fe/Pt(111)退火成份 ............... 86. (三) 10 ML Co 在 2 ML Fe-Pt/Pt(111)與 2 ML Fe/Pt(111)退火成份比較. 89. (四) 退火處理對 10 ML Co /Pt(111)磁性討論 ................................................. 88 (五) 退火處理對 2 ML Co/2 ML Fe /Pt(111)磁性討論. 88. (六) 退火處理對 10 ML Co/ 2 ML Fe/Pt(111)磁性討論 .................................. 94 (七) 退火處理對 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(650 K)/Pt(111)磁性討論 .................. 98 (八)退火處理對 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(700 K)/Pt(111)磁性討論 ................ 101. 84.

(7) (九) 退火處理對 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(800 K)/Pt(111)磁性討論 ................ 103 (十) 10 ML Co 在 2 ML Fe-Pt/Pt(111)與 2 ML Fe/Pt(111) 退火磁性比較 ... 104 結論 .................................................................................................................. 106. 參考資料........................................................................................................ 附錄 .............................................................................................................

(8) 圖表目錄圖 2-1-1 薄膜成長模式圖…………………………………………3. 1 圖 2-2-1 反鐵磁性物質  與溫度之關係………………………… 8 圖 2-2-2 不同磁性磁矩排列情形示意圖：(a)順磁性(b)鐵磁性(c)陶鐵磁性(d)反鐵磁性 ……………………………………… 8 圖 2-2-3 鐵磁性物質之磁區結構 ……………………………… 9 圖 2-2-4 鐵磁性物質之磁滯曲線 ……………………………… 10 圖 2-2-5 θ 角示意圖……………………………………………12 圖 2-2-6 Co/Pd 系統之 Kt-t 圖……………………………………13 圖 2-4-1 1 ML Fe/Pt(111) 的歐傑訊號對溫度的關係圖……………17 圖 2-4-2 1 ML Fe/Pt(111)加熱退火合金變化示意圖………………18 圖 2-4-3 1 ML Co/Pt 在不同退火溫度下磁滯曲線及柯爾訊號強度變化………………………………………………………………18. 圖 2-5-1 180 K 環境下成長不同層數鐵薄膜於 Pt (111)的層距關係途圖 …………………………………………………………… 20 圖 2-5-2 180 K 的環境下成長不同層數的鐵薄膜於 Pt (111)的磁滯曲線 …………………………………………………………… 21. 圖 2-5-3 室溫環境下成長鐵薄膜於 Pt (111)基底時的磁滯曲線……22 V.

(9) 圖 2-5-4 1 ML Fe/Pt (111)AES 訊號對溫度的關係圖 ……… 23. 圖 2-5-5 1 ML Fe/Pt(111)升溫過程合金變化示意圖 ………… 24 圖 2-5-6 2 ML Fe/Pt (111) AES 訊號對溫度的關係圖 ……… 25 圖 2-5-7 加熱退火對 5 ML Fe/Pt(111)系統之 (a)Pt 237 eV 與 Fe 703 eV 歐傑訊號強度變化(b)縱向矯頑力與柯爾訊號強度變化 ………… 25 圖 2-6-1 磁交換耦合彈簧效應示意圖 ……………………… 26 圖 2-6-2 外加磁場下，磁交換耦合彈簧效應示意圖………………27 圖 3-1-1 超高真空系統裝置圖 ……………………………… 28 圖 3-1-2 最佳壓力圖……………………………………………31 圖 3-1-3 樣品升降溫系統裝置圖…………………………………35 圖 3-1-4 鐵鍍源裝置圖………………………………………… 36 圖 3-1-5 鈷鍍源裝置圖………………………………………… 36 圖 3-1-6 氣體管路圖……………………………………………38 圖 3-2-1 歐傑效應與光效應…………………………………… 40 圖 3-2-2 歐傑效應與光效應產生機率與原子序之關係……………41 圖 3-2-3 電子能譜圖……………………………………………42 圖 3-2-4 微分電子能譜圖……………………………………… 42 圖 3-2-5 RFA-AES 構造圖………………………………………43 圖 3-2-6 平均自由徑與電子能量之關係…………………………47 VI.

(10) 圖 3-2-7 歐傑訊號與成長模式之關係圖…………………………48 圖 3-2-8 薄膜 A 與基底 B 示意圖…………………………………48 圖 3-2-9 入射電子、歐傑電子與樣品的方向關係…………………48 圖 3-2-10 CMA 結構示意圖………………………………………53 圖 3-3-1 晶體繞射示意圖……………………………………… 60 圖 3-3-2 RFA-LEED 結構圖………………………………………62 圖 3-3-3 乾淨 Pt(111) LEED pattern………………………………63 圖 3-4-1 磁光柯爾效應的三種模式………………………………65 圖 3-4-2 (a) S 波 (b)P 波示意圖…………………………………66 圖 3-4-3 檢偏器與反射光關係圖…………………………………66 圖 3-4-4 表面磁光柯爾效應儀裝置圖……………………………69 圖 4-1-1 熱退火處理 2ML Fe/Pt(111) (a)AES 微分譜(Fe 651 eV) (b) AES 微分譜(Pt 237 eV) (c)AES 微分強度對退火溫度圖……………70 圖 4-1-2 熱退火處理對 2ML Fe/Pt(111) (a)磁滯曲線圖(b) 矯頑力對退火溫度圖. (c)飽和磁化量對退火溫圖(d)殘磁對退火溫度圖……71. 圖 4-2-1 x ML Co/2 ML Fe /Pt(111) (a)AES 微分譜(Co775 eV、Fe 598 eV) (b) AES 微分譜(Pt 237 eV) (c) AES 微分強度對 Co 厚度圖……74 圖 4-2-2 x ML Co/2 ML Fe-Pt(650 K)/Pt(111) (a)AES 微分譜(Co775 eV、 Fe 598 eV) (b) AES 微分譜(Pt 237 eV) (c)AES 微分強度對 Co 厚圖…75 VII.

(11) 圖 4-2-3 x ML Co/2 ML Fe-Pt(700 K)/Pt(111) (a)AES 微分譜(Co 775 eV、 Fe 598 eV) (b) AES 微分譜(Pt 237 eV) (c)AES 微分強度對 Co 厚度圖。……………………………………………………………………75 圖 4-2-4 x ML Co/2 ML Fe-Pt(800 K)/Pt(111) (a)AES 微分譜(Co775 eV、 Fe 598 eV) (b) AES 微分譜(Pt 237 eV) (c)AES 微分強度對 Co 厚度圖………………………………………………………………………76 圖 4-2-5 x ML Co 在 2 ML Fe-Pt(650、700 K)/Pt(111)與 2 ML Fe/Pt(111) 系統 (a) AES 微分訊號強度對鈷厚度圖(Pt 237 eV) (b) AES 微分訊號強度對鈷厚度圖(Fe 598 eV) (c) AES 微分訊號強度對鈷厚度圖(Co 775 eV)…………………………………………………………………77 圖 4-2-6 x ML Co/2 ML Fe/Pt(111) (a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力對鈷厚度圖 (c)縱向之飽和磁化量對鈷厚度圖 (d)縱向之殘磁柯爾訊號對鈷厚度圖……………………………………………………………78 圖 4-2-7 x ML Co/2 ML Fe-Pt(650 K)/Pt(111) (a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力對鈷厚度圖 (c)縱向之飽和磁化量對鈷厚度圖 (d)縱向之殘磁柯爾訊號對鈷厚度圖………………………………………………79 圖 4-2-8 x ML Co/2 ML Fe-Pt(700 K)/Pt(111) (a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力對鈷厚度圖 (c)縱向之飽和磁化量對鈷厚度圖 (d)縱向之殘磁柯爾訊號對鈷厚度圖………………………………………………80 VIII.

(12) 圖 4-2-9 x ML Co/2 ML Fe-Pt(800 K)/Pt(111) (a)磁滯曲線圖 (b)極向之矯頑力對鈷厚度圖 (c)極向之飽和磁化量對鈷厚度圖 (d)極向殘磁柯爾訊號對鈷厚度圖(e)縱向之矯頑力對鈷厚度圖 (f)縱向之飽和磁化量對鈷厚度圖 (g)縱向殘磁柯爾訊號對鈷厚度圖…………………82 圖 4-2-10 x ML Co/2 ML Fe-Pt(650、700 K)/Pt(111) 與 x ML Co/2 ML Fe/Pt(111)(a)矯頑力對鈷厚度圖 (b)飽和磁化量對鈷厚度圖 (c)殘磁柯爾訊號對鈷厚度圖……………………………………………………83 圖 4-3-1 加熱退火 10 ML Co /Pt(111) (a)AES 微分譜(Co775 eV) (b) AES 微分譜(Pt 237 eV) (c) AES 微分強度對退火溫度圖……………84 圖 4-3-2 加熱退火 2 ML Co/2 ML Fe/Pt(111) (a)AES 微分譜(Co775 eV、 Fe 598 eV) (b) AES 微分譜(Pt 237 eV) (c) AES 微分強度對退火溫度圖………………………………………………………………………82 圖 4-3-3 加熱退火 10 ML Co/2 ML Fe/Pt(111) (a)AES 微分譜(Co775 eV、 Fe 598 eV) (b) AES 微分譜(Pt 237 eV) (c) AES 微分強度對退火溫度圖…… ……………… ………………… ………………… ……… 86 圖 4-3-4 加熱退火 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(650 K)/Pt(111) (a)AES 微分譜 (Co775 eV、Fe 598 eV) (b)AES 微分譜(Pt 237 eV) (c) AES 微分強度對退火溫度圖……………………………………………………………87 圖 4-3-5 加熱退火 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(700 K)/Pt(111) (a)AES 微分譜 IX.

(13) (Co 775 eV、Fe 598 eV) (b)AES 微分譜(Pt 237 eV) (c) AES 微分強度對退火溫度圖……………………………………………………………87 圖 4-3-6 加熱退火 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(800 K)/Pt(111) (a)AES 微分譜 (Co775 eV、Fe 598 eV) (b)AES 微分譜(Pt 237 eV) (c) AES 微分強度對退火溫度圖……………………………………………………………88 圖 4-3-7 加熱退火 10 ML Co /2 ML Fe-Pt(650 K、700 K) 、10 ML Co/2 ML Fe/Pt(111)、10 ML Co /Pt(111)與 2 ML Co/2 ML Fe/Pt(111)AES 微分訊號強度對退火溫度圖(a)Pt 237 eV (b) Co 775 eV (c) Fe 598 eV………………………………………………………………………89 圖 4-3-8 退火溫度對 10 ML Co /Pt(111) 系統(a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力(c)縱向之飽和磁化量 (d)縱向之殘磁柯爾訊號圖…………90 圖 4-3-9 樣品溫度對 10 ML Co /Pt(111) 系統(a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力(c)縱向之飽和磁化量 (d)縱向之殘磁柯爾訊號圖…………91 圖 4-3-10 退火溫度對 2 ML Co/2ML Fe/Pt(111) 系統(a)磁滯曲線圖 (b) 縱向之矯頑力(c)縱向之飽和磁化量 (d)縱向之殘磁柯爾訊號圖…92 圖 4-3-11 樣品溫度對 2 ML Co/2ML Fe/Pt(111) 系統(a)磁滯曲線圖 (b) 縱向之矯頑力(c)縱向之飽和磁化量 (d)縱向之殘磁柯爾訊號圖…93 圖 4-3-12 退火溫度對 10 ML Co/2 ML Fe/Pt(111)系統(a)磁滯曲線圖 (b) 縱向之矯頑力圖 (c)縱向之飽和磁化量圖 (d)縱向之殘磁柯爾訊 X.

(14) 圖………………………………………………………………………94 圖 4-3-13 樣品溫度對 10 ML Co/2 ML Fe/Pt(111) 系統 (a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力圖 (c)縱向之飽和磁化量圖 (d)縱向之殘磁柯爾訊號圖……………………………………………………96 圖 4-3-14 退火溫度對 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(650 K)/Pt(111)系統 (a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力圖 (c)縱向之飽和磁化量圖 (d)縱向之殘磁柯爾訊號………………………………………………………98 圖 4-3-15 樣品溫度對 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(650 K)/Pt(111)系統 (a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力圖 (c)縱向之飽和磁化量圖 (d)縱向之殘磁柯爾訊號圖……………………………………………………100 圖 4-3-16 退火溫度對 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(700 K)/Pt(111)系統 (a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力圖 (c)縱向之飽和磁化量圖(d)縱向之殘磁柯爾訊號圖……………………………………………………101 圖 4-3-17 樣品溫度對 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(700 K)/Pt(111)系統 (a)磁滯曲線圖 (b)縱向之矯頑力圖 (c)縱向之飽和磁化量圖 (d)縱向之殘磁柯爾訊號圖……………………………………………………102 圖 4-3-18 退火溫度對 10 ML Co/2 ML Fe-Pt(800 K)/Pt(111)系統 (a)磁滯曲線圖(b)極向之矯頑力圖(c)極向之飽和磁化量圖 (d)極向之殘磁柯爾訊號圖(e)縱向之矯頑力圖(f)縱向之飽和磁化量圖 (g)縱向之殘 XI.

(15) 磁柯爾訊號圖………………………………………………………104 圖 4-3-19 10 ML Co /2 ML Fe-Pt(650 K、700 K)/Pt(111)與 10 ML Co /2 ML Fe/Pt(111) 系統 (a)矯頑力對樣品溫度圖 (b)飽和磁化量對樣品溫度圖 (c)殘磁柯爾訊號對樣品溫度 (d)矯頑力對熱退火溫度圖 (e)飽和磁化量對熱退火溫度 (f)殘磁柯爾訊號對熱退火溫度圖………………………………105. XII.

(16) 表目錄表 2-2-1 磁性物質種類 ………………………………………… 6 表 2-4-1 Co-Fe 合金之生成熱……………………………………19 表 3-1 不同壓力下氣體分子的各種參數值………………………31 表 3-2 常用原子歐傑訊號能量值……………………………… 46 表 3-3 Fe、Ag 薄膜一層平均厚度…………………………………54 表 3-4 Fe 與 Pt 之背向散射項( back-scattering terms )值……………55 表 3-5 Ag 與 Pt 之背向散射項( back-scattering terms )值……………55 表 3-6 Fe 之平均自由徑值………………………………………55 表 3-7 Ag 之平均自由徑值………………………………………56 表 3-8 cosθ 平均值………………………………………………56 表 3-9 歐傑訊號強度比值與 Fe 薄膜厚度對照表…………………58 表 3-10 歐傑訊號強度比值與 Co 薄膜厚度對照表………………59. XIII.

(17) 縮寫表 AES. Auger electron spectroscopy. BCC. body-centered cubic. CHA. concentric hemispherical analyzer. CMA. cylindrical mirror analyzer. FCC. face-centered cubic. F.M. mode. Frank-van der Merwe mode. Hc. coercive field. IMFP. inelastic mean free path. LEED. low-energy electron diffraction. MBE. molecular beam epitaxy. ML. monolayer. Ms. saturation magnetization. Mr. remanence magnetization. RHEED. reflection high-energy electron diffractometer. RFA. retarding field analyzer. SMOKE. surface magneto-optic Kerr effect. SRT. spin reorientation transition. STM. scanning tunneling microscopy.

(18) S.K. mode. Stranski-Krastanov mode. Tc. Curie temperature. TN. Neel temperature. UHV. ultrahigh vacuum. V. W. mode. Volmer-Weber mode.

(19) Chapter 1. 緒論. 隨著科技日新月異的進步，應用元件發展之方向朝著輕薄短小的目標進行研發，且龐大的資料量子化，因此開發更高密度之儲存技術已成為當前之趨勢，改進磁光記憶材料提升儲存能力成為了科學家共有的目標。近年來，由於巨磁阻效應在實務上之推廣，使磁性記憶體儲存能力大幅度提升而 IBM 公司於 2007 年在國際知名期刊 nature 上所提出，利用 Co、Pt 多層膜，將磁光記憶體儲存密度提高 1Tbit/in2[1]；由此可知，高密度磁性材料之研究，是資訊時代演進所必須的。隨著超高真空技術的進步和鍍膜厚度愈來愈薄，且因鐵磁性薄膜之表面異向能，在 Co / Pt[2、3、4]、Co / Pd[2、3、5]、Co / Au[6、7、8]與 Fe / Ag[9]等多層膜系統，可發現其磁化易軸由塊材中縱向方向轉變為超薄膜之極向方向，此種磁性超薄膜因受對稱性破壞，導致樣品具有垂直磁異向性之特性，對於增加磁記憶體之儲存密度而言，無非是一項大利多。當元件尺寸愈來愈小時，磁性多層膜之介面即會成為影響元件性質的重大要素，因此超薄膜間介面之物理現象遂成為科學家們致力研究的方向。我們實驗室曾對 Fe/Pt(111)加熱退火，做過成份與磁性分析，發現 Fe/Pt(111) 系統，在熱退火溫度達到後，將形成 Fe-Pt 合金，同時其矯頑力將有很大的增加；而我們想要探討的是，當我們對 Fe / Pt (111)進行加熱退火效應使其形成 Fe-Pt / Pt (111)表面合金，在 Fe-Pt / Pt (111)鍍上不同層數的鈷後，觀察其矯頑場及飽和磁化量的變化，並比較不同加熱退火溫度下，形成之 Fe-Pt 表面合金，對鈷薄膜成長是否有所影響；此外我們也對鈷膜成長在不同合金溫度之鐵白金系統進行加熱退火，探討矯頑力及磁化量隨溫度的變化。. 1.

(20) Chapter 2 基本原理 2-1 薄膜成長薄膜成長的形式會隨著蒸鍍方法、鍍率、基底、基底溫度而有所不同，因此鐵磁性物質的磁性與薄膜成長模式有很顯著的關係，因此先瞭解薄膜成長模式有助於之後實驗的討論。. 2-1-1 成長模式薄膜成長可分為三種模式，如圖 2-1-1 所示[10]： 1.. Frank-van der Merwe mode ( F.M. mode ): 薄膜原子在基底上趨向於一層一層往上成長，而形成平整的表面，亦稱為層層成長（layer-by-layer growth）。. 2.. Stranski-Krastanov mode ( S.K. mode )：薄膜原子鍍在基底上趨向先長好平整的一層或數層，再以三維島狀的模式繼續向上成長。. 3.. Vollmer-Weber mode ( V. W. mode )：薄膜原子鍍在基底上時，沒有長成任何平整一層的薄膜，而直接以三維島狀的方式成長，亦稱為島狀成長（island growth）。. 2.

(21) 圖 2-1-1 薄膜成長模式圖[11]. 2-1-2 影響薄膜成長的因素影響薄膜成長的因素有很多，薄膜的形成是經由外來原子吸附在基底上，成核、成長、在基底上表面遷移( surface migration )擴散等過程；從物理學觀點而言，造成薄膜生長模式不同的因素主要有[12]：. 3.

(22) 1.. 基底溫度和基底結構. 2. 3. 4. 5.. 吸附層原子與基底間的表面自由能蒸鍍速率和吸附層原子的動能吸附層原子與基底原子的晶格不匹配度( lattice mismatch ) 吸附層原子入射角度這些物理量皆會對膜的形成、及其結構與密度有影響。我們先討論薄膜與基底的表面自由能對薄膜成長的影響 [13]，設： △γ＝(γadsorbate－γsubstrate)＋γinterface (2.1.1) γadsorbate：吸附層的表面自由能 γsubstrate：基底的表面自由能 γinterface：吸附層與基底間的表面自由能若△γ＞0 時，表示薄膜原子傾向停在與自己同種的原子上，成長模式為 Frank-van der Merwe mode (V. W. mode)；而△γ＜0，薄膜原子傾向停在基底或薄膜邊緣，成長模式為 Frank-van der mode (F. M. mode) 或 Stranski-Krastanov mode (S. K. mode)。以 Fe/Pt(111)為例[14][66] γFe=2939 erg/cm2. ，. γPt=3290 erg/cm2. ；. △γ= －351 erg/cm2. 顯示在此系統由自由能的考量下，鐵傾向於一層一層成長的模式成長。以 Co/Pt(111)為例[14][66] γCo=2790 erg/cm2. ，. γPt=3290 erg/cm2. ；. △γ= －510 erg/cm2. 顯示在此系統由自由能的考量下，鈷傾向於一層一層成長的模式成長。若從晶格不匹配度對薄膜成長的影響來討論，晶格的不匹配性會造成薄膜內部應力累積，導致位錯或缺陷的形成。晶格不匹配度是由兩種原子的晶格常數判別，晶格不匹配度[15]可表示為：. ＝. rB－rA  100％ rB. (2.1.2). 4.

(23) 其中 η：晶格不匹配度 rA：薄膜原子的晶格常數. rB：基底原子的晶格常數若η＜2%時，表示基底原子與薄膜原子大小差不多，薄膜成長較利於F.M. 與S.K. mode。而η＞2%時，則表示基底原子和薄膜原子之大小差很多，而有利於薄膜以V.W. mode成長。以本實驗所使用的元素鐵為例，鐵為體心立方結構，而鉑為面心立方結構，其晶格常數分別為rFe=2.87 Å 、rPt=3.92 Å ，比較晶格不匹配度η ， a Fe 與 a Pt 晶格參數相差很大，但由於bcc與fcc切面對稱性的不同，在最初的一兩個原子層內，可以考慮使用原子最鄰近的距離來計算其介面不匹配度較為適用。Fe、Co與Pt的原子最鄰近的距離分別為2.48 Å 、2.50 Å 、2.77 Å ，當考慮最初的一兩個原子薄層時，其塊材結構尚未形成，則Fe、Co成長於Pt時，其介面原子之晶格不匹配度分別為10.47 %、9.75 %，由此顯示了Fe、Co成長於Pt時應傾向於三維島狀成長。. 2-2. 鐵磁性物質磁性起源於原子磁矩( magnetic moment )[16]，而造成物質具有磁性原因主要是因為物質原子磁矩間之排列或磁矩間之交互作用力所形成，原子磁矩主要有三個來源：. 1. 電子軌道( orbital )磁矩 : 電子繞原子核公轉所產生的磁矩。 2. 電子自旋( spin )磁矩 : 電子自旋所產生的磁矩。 3. 原子核磁矩 : 原子核自旋所產生的之磁矩，但原子核磁矩之值很小，一般可以忽略。. 2-2-1 磁性物質的種類磁性物質單位體積內所含之磁矩，稱為磁化強度( magnetization intensity )，.    以 M 表示之。而磁化強度和外加磁場 H 及磁通密度 B ( magnetic flux density )有下列之關係式：.      B  0 M  H  0 (1  )H  H   M  H. (2.2.1) (2.2.2). 5.

(24) 其中之：. (  0 )  ：(真空)磁導率 ( permeability ).  ：磁化係數 ( susceptibility )；而相對磁化係數，從極弱磁的 10-5 到極強磁的 106 都有可能，有時為負值。.  的各種變化形式，可用物質的磁性結構來解釋，依  值的大小，可將磁性物質分類五大類，如表 2-2-1 所示：. 種類. 來. 源.  值大小. 反磁性物質 1. 電子軌道(orbital)磁矩. 10 5. 電子自旋(spin)磁矩. 10 3 ~ 10 6. 電子自旋(spin)磁矩. 10 3 ~ 10 5. 電子自旋(spin)磁矩. 103. 電子自旋(spin)磁矩. 106. (diamagnetism) 順磁性物質 2 (paramagnetism) 反鐵磁性物質 3 (antiferromagnetism) 陶鐵磁性物質 4 (ferrimagnetism) 鐵磁性物質 5 (ferromagnetism) 表2-2-1 磁性物質種類[17]. 6.

(25) 本小節先就前四種作簡單介紹，鐵磁性物質將在 2-2-2 節討論。 1. 反磁性：其磁化係數約為-10-5，其值不隨溫度變化而磁化方向與外加磁場方向相反。反磁性產生乃是由於外加磁場對電子所產生的電磁感應，當有外加場時，電. . 子之軌道角動量會改變而產生一淨磁矩 M ，根據冷次定律得知，此淨磁矩方向與外加磁場的方向相反，所以  值為負；而無外加磁場時，反磁性物質就不具有磁性。. 2. 順磁性：順磁性之磁化係數約在 10-3~到 10-5 之間，其值隨溫度變化而磁化方向與外加磁場相同。順磁性物質產生的原因來自於原子或分子擁有奇數個電子時，其不成對電子的出現，使每個原子或分子易在外加磁場影響下產生磁矩。但在有限之溫度下，原子與原子間的磁矩方向呈雜亂分佈，磁矩相互抵消，因此整體物質的淨磁矩為零。當有外加磁場時，這些磁矩的平均方向會稍作改變，順著外加磁場排列，產生弱感應磁化。隨著溫度變化，熱擾動會使淨磁矩改變，其中  值與溫度的關係遵守 Curie’s law. . C T. (2.2.3). 若考慮原子磁矩間的交互作用 Curie’s law 應修改為.  其中. C (T  TC ). ，稱為 Curie-Weiss Law. (2.2.4). C：居禮常數 T：絕對溫度（K） TC：居禮溫度（K）. 3. 反鐵磁性：磁化係數介在 10-3～10-5 間，磁化方向則與外加磁場相同，磁化係數與溫度相關，但隨溫度變化情形與順磁性不同，如圖 2-2-1 所示，當溫度低於 TN 7.

(26) 時，物質維持反鐵磁性，磁化強度隨溫度升高而加大，而溫度高於 TN 時，χ 變化則與順磁性相似。其中 TN 為尼爾溫度(Neel temperature)。. 圖 2-2-1 反鐵磁性物質. 1 與溫度之關係[18] . 4. 陶鐵磁性：當溫度低於 TN 時，陶鐵磁性物質之磁性行為像鐵磁性物質，但磁化率及自發磁化強度均較鐵磁性物質小；而溫度高於 TN 時，其磁性性質表現則與順磁性物質相同。其內部磁性排列與反鐵磁相似，但因其次晶格( sub-lattice )的磁矩不相等因而無法完全抵消。. (a). (c). (b). (d). 圖 2-2-2 不同磁性磁矩排列情形示意圖[19]：(a)順磁性 (b)鐵磁性 (c)陶鐵磁性 (d)反鐵磁性 8.

(27) 2-2-2 鐵磁性物質鐵磁性物質與順磁性物質一樣，其磁性是因為本身即具有不成對電子而產生的磁矩；不同於順磁性物質，因相鄰原子磁矩間強烈的交互作用，使鄰近的磁矩彼此平行排列，稱為自生磁化 ( spontaneous magnetization )。雖然鐵磁性物質有自生磁化存在，但在無外加磁場時，其自生磁化和為零，而處於去磁狀態。如圖 2-2-3 所示，鐵磁性物質內部可分成許多磁區( magnetic domain )，各磁區皆有自生的磁化，但磁化方向各不相同，其物質之總磁矩為零 [20]. 。. 圖 2-2-3 鐵磁性物質之磁區結構[23] 當處於外加磁場下，磁區中之磁矩受一磁力矩，使磁區中磁壁( domain wall ) 產生移動，若外加磁場夠大，最後整個鐵磁性物質會形成單一磁區，此時的磁化值稱為飽和磁化 MS ( saturation magnetization )。而當外加磁場降為零時，磁化值並未歸零，而有一殘留的磁化值，稱之為殘磁 MR ( remanence )。當磁場反向增加，磁化值降為零時，此時的外加磁場大小稱為矯頑磁場 HC ( coercive field )。將外加磁場強度與鐵磁性物質的磁化強度作圖，則可得到一磁滯曲線 ( hysteresis loop )，如圖 2-2-4 所示：起始之外加磁場為零，隨著外加磁場增加，磁化值 M 會到達到一最大值，即使外加磁場繼續增加，會發現磁化值已不再變化，此時磁化值的大小為稱為飽和磁化量 MS；而當外加磁場逐漸減少回到零時， 9.

(28) 會發現磁化值並未歸零，會有一個殘留的磁化值 MR，若磁場繼而往反向增加，磁化值則是會降至零，而磁場繼續往反向增加，磁化值會繼續變小而達到飽和；磁滯曲線包含的面積代表在整個過程當中所耗損的能量，當矯頑場 HC 較大時，磁滯曲線較接近四邊形，其面積較大者稱硬磁，而較小者則稱之為軟磁。. 圖 2-2-4 鐵磁性物質之磁滯曲線. 2-2-3 居禮溫度當溫度升高，磁矩的排列會受熱擾動影響，方向開始變得凌亂，此時自生磁化值逐漸因為磁矩抵銷而減少，直至某一溫度時會降為零，此溫度就稱為居禮溫度 TC。當溫度 T 接近於居禮溫度 TC 時，飽和磁化 MS ( T )與絕對零度時之飽和磁化 M0 會遵守下列關係[21]：. MS  M0(. TC  T TC. )c. (2.2.5). 其中：MS 為飽和磁化量 M0 為絕對零度的飽和磁化量 10.

(29) βc 為磁化指數( critical magnetization exponent ). 當溫度 T 超過居禮溫度 TC，鐵磁性材料磁性表現就跟順磁性材料一樣，相對磁化係數χ亦遵守 Curie-Weiss Law  . C 。對絕大多數鐵磁性物質而 (T  TC ). 言，居禮溫度乃介於攝氏數百至一千度之間[22]. 2-3 磁異向性磁異向性( magnetic anisotropy )指的是磁性材料的內在能量隨磁化方向而變之特性。換句話說，當外加磁場方向不同時，所測量到的磁滯曲線圖形也會改變，而其中較容易達到飽和磁化的方向稱為易軸( easy axis )，反之較難達飽和磁化的方向則稱為難軸( hard axis )。. 2-3-1 磁異向能磁異向能是指將物質之自生磁化方向翻轉到外加磁場方向所需要做的功，而磁異向能最小的方向即為易軸方向，而磁異向能可由下列式子表示[23]：. E  K sin 2  2. 其中 K：磁異向性常數，通常以 erg/cm 為單位。 θ：磁化方向與法線方向的夾角，如圖 2-2-5。. 11. (2.3.1).

(30) 法線方向.  M. θ 樣品. 圖 2-2-5 θ 角示意圖[24] 由式(2.3.1)可得知，當 K＞0 時，θ 角越小則 E 越小，代表易軸偏向於垂直於樣品表面；反之當 K＜0 時，θ 角越大則 E 越小，代表易軸偏向於平行於樣品表面。接著深入探討磁異向性常數 K ，磁異向性常數 K 通常可分為塊材部份 KV 及薄膜部份 KS；以磁性多層膜為例：令磁性層的厚度為 t，且假設 KS 及 KV 不隨著厚度改變，則有效磁異向性常數 K 可表示成[25] [26] 2K S (2.3.2) t 此式中，2 倍 KS 是假設薄膜的兩個介面對於 KS 有相同的貢獻。由式(2.3.2)， K  KV . 我們將 K∙t 對 t 作圖，可以由斜率得知 KV，而由 K ∙ t 軸的截距得到 2 Ks。以 Co/Pd 的多層膜系統為例[27]，如圖 2-2-6 所示，其斜率為負值，而 KV 為小於零的常數，從 K ∙ t 軸截距可得知 KS 為大於零的常數。當 Co 薄膜厚度增加時，可發現 K 值隨 1/t 減少，而厚度增加至某臨界厚度 tC 以上時，樣品之磁化易軸會由垂直樣品表面轉至平行於樣品表面，此現象稱為 spin reorientation transition (SRT)，而此臨界厚度（critical thickness）tC 即所謂易軸轉向的薄膜厚度： t .  2K S KV. 12. (2.3.3).

(31) 圖 2-2-6 Co/Pd 系統之 Kt-t 圖[26]. 類似的情況也在 Co/Pt(111)的超薄膜系統中被發現[28]。當樣品為磁性超薄膜時，式(2.3.3)中 2KS 應修正成 KS+KSfilm/vacuum，其中 KSfilm/vacuum 為薄膜與真空介面貢獻之單位面積磁異向能[29]，但 KS 與 KV 值皆有可能受到介面粗糙度、交互擴散與薄膜應力等因素影響而改變[30]，因此由式( 2.3.3 )所估算之磁化方向轉變厚度並非定值。以鐵薄膜而言，其 KS 為一個很大之正值，例如[26]， Fe(100)/UHV 的 K S  0.96 mJm ，Fe(110)/UHV 的 K S  0.97 mJm ，顯示鐵薄膜與 2. 2. 真空介面傾向於垂直磁化；而鐵的 KV 則為一負值，通常介於-2 MJ m−3 至-1 MJ m−3 間[26]，而 Fowler 等人在 1996 年發表於 Phys. Rev. B 中，研究了鐵薄膜成長於銅(001)基底上. [31]. ，顯示在 fcc 結構的鐵其 KV 遠比 bcc 的鐵來的大，其中. ( KV ) fccFe  180 MJm3 ， ( K V ) bcc Fe  1 MJm3 ，而對 K S 而言， fcc 結構的鐵 K S  0.26 mJm ， bcc 結構的鐵則為 K S  0.94 mJm ，以 2. 2. Fe / Pt (001) 系統為例[29]，當 t Fe  8 Å 時結構為面心立方結構( fcc )，K S  0.47 13.

(32) mJm2 、 K V  2.8 MJm3 ，當 t Fe  8 Å 時結構為體心立方結構(bcc)， K S  0.31 mJm2 、 K V  1.7 MJm3 ，因此可知薄膜的磁異向性在鐵薄膜厚度為 8 Å 時發生轉變。. 2-3-2 影響磁異向性的因素影響磁異向性的因素相當的多，以下列舉常見之三種介紹： 1. 磁晶軸異向性( magnetocrystalline anisotropy ) [26]：由於自旋-軌道耦合( spin-orbital coupling )作用，使得鐵磁性材料的自生磁化方向會沿著晶軸方向，因此磁晶軸異向性之易軸方向通常為晶格易軸方向。當受外加磁場作用時，其晶格中電子之自旋方向與在晶格中之軌道將受到影響，但軌道部分受到晶格強烈束縛，因此相對的也會阻止電子自旋方向改變。隨著晶格方向的不同，對電子軌道的束縛也不相同，所以沿不同晶格方向外加磁場，其磁化方向亦不同。. 若晶體只具有單一異磁化軸，則稱為「單軸異向性」(uniaxial anisotropy)[36]，是磁晶異向性當中最簡單的一種形式。我們通常會利用磁晶異向能來描述薄膜之磁異向性；對於單軸異向性的樣品，其磁晶異向能可表示為 [37]. ：. E cry stall  K cry stall sin 2  其中：. (2.3.4). K 為磁晶異向性常數 θ 為磁化方向與易磁化軸的夾角. 對於超薄膜的磁晶異向性而言，由於薄膜很薄，其三維對稱性會被破壞而變 14.

(33) 成二維對稱；然而薄膜的磁異向性會因表面對稱性的維度降低而增強許多，在某些薄膜系統中當(surface anisotropy)[32]之重要性大於體異向性(volume anisotropy) 時，會使易磁化軸呈現垂直樣品表面的現象。 2. 形狀異向性（shape anisotropy）[33]: 主要來自磁晶體內磁偶極矩間的交互作用力，故又稱為磁偶極矩異向性 ( magnetic dipolar anisotropy )，由於其受制於樣品邊界狀況，即受晶體外型所影響，亦稱形狀異向性。當樣品為橢形鐵磁性物質時，磁偶極矩異向性可由去磁場. . 來描述（demagnetizing field），去磁場表示為： Hd.    M ，其中 M 為磁化向. 量（magnetization vector），N 為去磁張量（demagnetizing tensor），而去磁張量隨樣品形狀而異，以薄膜為例，去磁張量內除了對角元素其餘元素皆為零，對角元素皆為一，此時去磁場為指向垂直樣品方向。另根據靜磁能可知：. E. 0    M  H d d 2V. (2.3.5). 故單位體積內形狀異向性能量為：. ES . 0 2 M s c o s2  2. (2.3.6). 其中 Ms 為飽和磁化強度(saturation magnetization)，θ 則為磁化方向與樣品法線的夾角。由式(2.3.6)可知，當 θ 為 90o 時能量有最小值，因此形狀異向性會造成易軸傾向於平行樣品表面的方向。但根據理論計算，當樣品磁性薄膜厚度只有幾個原子層(ML)時，樣品表面的對稱性被破壞，使表面電子結構與塊材電子結.  構不同，因此不可將其再視為連續體，而將 M 視為晶格上個別磁偶極矩之總和。 3. 磁彈異向性（magnetoelastic anisotropy or stress anisotropy）: 鐵磁性材料承受應力( stress，即單位面積受力大小)時會產生應變( strain，dl/l、 15.

(34) dw/w 或 dz/z )，因此磁晶軸將改變其對稱性，亦會改變自生磁化方向；這和磁致伸縮( magnetostriction ) [34]是不同的，因為磁致伸縮是指外加磁場使磁化方向改變時，會造成磁晶軸方向改變，而使樣品受應力的現象。對一個磁致伸縮各向同性( isotropy )的樣品而言，其單位體積的磁彈性能 Eme 可以表示為[34]：. 3 E m e   m  sin 2  2  m ：磁致伸縮常數( magnetostriction constant，. (2.3.7). l ) l.  ：應力( stress ).  ：自生磁化方向與應力  間的夾角從式(2.3.7)可看出，能量隨磁化方向改變，也就是產生磁異向性，即是所謂的磁彈異向性，且為一單軸異向性。當樣品所受為張應力( tensile stress )即 σ＞0 時，磁化易軸平行於所受應力方向；反之，當樣品所受為壓應力( compressive stress )即 σ＜0，磁化易軸則垂直於所受應力方向。而目前已知樣品受應力的來源主要來自於熱膨脹( thermal strain )、晶格不匹配度( lattice mismatch )及原子錯位等( dislocation ) [15]。. 2-4. 表面合金在奈米與表面科學研究中，發現當兩種不同的元素在少於一兩個原子層的表面上，有可能形成二維的合金態，此種現象即稱為表面合金。而部分在塊材尺度下互不相溶的元素，有可能在表面上混合而形成只存在於表面原子層之表面合金[35]，如 Ag/Pt(111)系統。表面合金有全新的催化特性，因此表面合金對於表面研究上有很重要的應用，並且其電子與化學性質通常會不同於原始元素，故可經由新的催化特性提高樣品之穩定度、選擇性以及活性[36]。我們先來探討基底鉑，俗稱白金，為 VI I IB 族過度金屬，電子組態 5d96s1。鉑支單晶結構為面心立方結構( fcc )，我們取其最密排列的( 111 )面作為基底，原子間最近距離為 2.77Å 。鐵為 VIIIB 族過渡金屬，電子組態 3d64s2，晶格結構為體心立方結構(bcc)，原子直徑 2.52 Å 。鐵薄膜在白金樣品上之成長模式在三層以內為層層成長，超過三層以 S.K. mode 方式成長[37]。我們利用歐傑電子能譜術來分析 1 ML Fe/Pt(111) 系統，研究 Fe-Pt 表面合金，由圖 2-4-1，得知約一層的鐵薄膜在溫度 520 K 開始向鉑表面擴散，接著當溫度為 620 K 到 770 K 之間時，鐵與白金原子以穩定的表面合金分布在表面，而當溫度到了 780 K 後，鐵與白金的混合行為往第三個維度發生，圖 2-4-2 表示 1 ML Fe/Pt(111)系統合金形成過程。關於鐵在鉑表面的擴散 16.

(35) 活化能、擴散係數、繞射精細結構的解釋等，本實驗室都已做過詳細的測量[38]。. 圖 2-4-1 1 ML Fe/Pt(111) 的歐傑訊號對溫度的關係圖[39]. 圖 2-4-2. 1 ML Fe/Pt(111)加熱退火合金變化示意圖 17.

(36) 鈷為 VIIIB 族過渡金屬，電子組態 3d74s2，晶格結構為六方最密堆積結構 (hcp)，原子直徑 2.51 Å 。鈷薄膜在鉑基底上先長好 2 層平整薄膜，再以三維島狀模式成長，亦即 Stranski-Krastanov mode。而在本實驗室先前研究指出，一層鈷薄膜在 Pt(111)上經加熱退火效應加熱至 710 K，放置 3 分鐘後降回室溫形成 Co-Pt 表面合金，再利用表面磁光柯爾效應儀觀測磁性的變化 [40]，發現樣品表面磁性產生了如圖 2-4-3 所示之變化。. 圖 2-4-3 1 ML Co/Pt 在不同退火溫度下磁滯曲線及柯爾訊號強度的變化[40]. 2-4-1 Co-Pt、 Fe-Pt 與 Fe-Co 合金之生成熱根據文獻，Co-Pt 合金組成之生成熱 ΔH = -14 kJ/mol[67]而 Fe-Pt 合金組成之生成熱 ΔH = -20 kJ/mol[68]，至於 Fe-Co 合金則有較複雜的組成，其生成熱見下表 [69] ，單位換算為 1 mRy/atom=1.308 KJ/mole，而由其生成熱大小來判斷，Co-Pt 合金生成熱最大，較容易形成合金，Fe-Pt 合金次之，Fe-Co 合金則最不易形成。. 18.

(37) 19.

(38) 表 2-4-1 Co-Fe 合金之生成熱[69]. 20.

(39) 2-5. Fe/Pt(111)文獻探討. 2-5-1. Fe/Pt(111)成長結構及磁性文獻探討. 圖 2-5-1 為在 180 K 環境下，將不同層數的鐵成長於 Pt (111)基底上時，層與層之間距的變化[41]；當 1 ML Fe/Pt (111)時，其層距為 2.07 Å ，類似於 fcc 結構的鐵，而鐵薄膜層數增加為 2 ML 時，其層距下降為 2.035 Å ，接近於 bcc (110)的結構，當隨著鐵薄膜層數繼續增加，其層距幾乎不再變化，說明此時的結構保持為 bcc (110)；而由低能量電子繞射儀之圖形中也可以發現到在鐵薄膜層數為 1 ML 時，其繞射亮點為六對稱結構，與乾淨的 Pt (111)相同，當鐵薄膜層數增加為 2 ML 時，則發現到繞射亮點周圍會出現衛星亮點；由此可知鐵薄膜在 Pt (111) 成長時，結構會由本來的 fcc (111)轉變成 bcc (110) [41]。圖 2-5-2 為在 180 K 的環境下，成長不同層數鐵薄膜於 Pt(111)的磁滯曲線圖，發現於此環境下，當鐵薄膜的層數小於 1 ML 時，磁滯曲線發生在極向，而鐵薄膜層數從 1 ML 增加到 1.3 ML 時，磁滯曲線則發生在縱向，表示了磁化易軸由極向轉至縱向，顯示在這個過程當中有 SRT 現象，而和圖 2-5-1 比對之後可以發現這個變化發生於結構轉變的過程中，亦即結構從 fcc (111)轉成 bcc (110) [41]。. 圖 2-5-1. 180 K 的環境下成長不同層數的鐵薄膜於 Pt (111)的層距關係圖[41]. 21.

(40) 圖 2-5-2. 180 K 的環境下成長不同層數的鐵薄膜於 Pt (111)的磁滯曲線[41]. 22.

(41) 5ML. 4ML. 3ML. 2.5ML. 2ML. 1.5ML. 1ML. 0.5ML. 0ML -300. -150. 圖 2-5-3. 0. 150. 300. -300. -150. 0. 150. 300. 室溫環境下成長鐵薄膜於 Pt (111)基底時的磁滯曲線[25]. 圖 2-5-3 是在室溫環境下(300 K)，蒸鍍上不同層數的鐵薄膜於 Pt (111)基底上之磁滯曲線圖，從圖 2-5-3 中可知，當鐵薄膜層數小於 1 ML 時，極向和縱向均量測不到磁滯曲線，直到鐵薄膜的層數為 1.5 ML 時，縱向和極向才會出現磁滯，而鐵薄膜的層數大於 1.5 ML 時，只有在縱向有磁滯，而極向均量測不到磁滯訊號，表示 Fe/ Pt (111)薄膜的磁化易軸在平行膜面的方向。. 23.

(42) 2-5-2. Fe/Pt(111)在不同退火溫度下成長結構及組成之文獻探討. 在 Pt(111)鍍上 1 ML Fe 薄膜後，逐漸升溫，每隔 25 K~40 K 測量一次數據，於每個溫度皆停留 10 分鐘，確保此時成分變動到達穩定，再開始做歐傑電子能譜術測量，由圖 4-2-4 中可得知，當 1 ML Fe 原子鍍在 Pt(111)基底上，在溫度低於 770 K 時，Fe 703 eV 的訊號並無明顯變化；而 Pt 237 eV 的訊號則在 520 K 時略為上升，於 620 K~780 K 之間並無太大變化，在溫度為 770 K 以上時，Pt 237 eV 的歐傑訊號才大幅的上升，此時 Fe 703 eV 的訊號也開始明顯下降。我們判斷 Pt 原子於 520 K 之後開始向表面擴散，而溫度到達 780 K 以後，Fe 與 Pt 開始混合。從低能量電子繞射儀的繞射圖形也可以觀察樣品表面之結構變化，發現在 1 ML Fe/Pt (111)時，為模糊的(11 )繞射亮點，而隨著退火溫度上升，溫度到達 520 K 後，繞射亮點變得清晰，此溫度變化與歐傑電子能譜術所觀測情形相似，當溫度超過 770 K 時，發現(0,0) beam 與各主繞射亮點中間漸漸浮現出繞射亮點，而溫度達到 820 K 後，我們可以看到明顯的( 2 2 )繞射圖形。. 圖 2-5-4. 1 ML Fe/Pt (111)AES 訊號對溫度的關係圖[39]. 24.

(43) 由歐傑訊號以及低能量電子繞射儀的繞射亮點圖形，可以歸納出 1 ML Fe/Pt(111)系統升溫過程，如圖 2-5-5，當溫度在 300 ~ 520 K 時，無反應現象，隨著溫度上升到 520 K 後，上層鐵原子開始往白金基底滲透，在表面形成 2 ML 的 Fe50Pt50 合金，而溫度超過 770 K ，鐵原子繼續往底層滲入，表面 Fe50Pt50 合金減少為一層，而於其下之鐵原子與白金形成 FePt3 之合金，最後溫度超過 870 K 後，鐵原子大部分都已鑽到白金底下。. 圖 2-5-5. 1 ML Fe/Pt(111)升溫過程合金變化示意圖[39]. 25.

(44) 圖 2-5-6. 2 ML Fe/Pt (111) AES 訊號對溫度的關係圖[39]. 圖 2-5-6 對 2 ML Fe/Pt(111)進行加熱退火，並觀察其表面成份之變化，發現當熱退火溫度達 570 K 後，Pt 237 eV 之歐傑訊號開始大幅上升，代表在 Fe/Pt 介面開始有混和的行為，形成了 Fe-Pt 合金。. 2-5-3. Fe/Pt(111)在不同退火溫度下磁性與組成之文獻探討. (a). (b). 圖 2-5-7 加熱退火對 5 ML Fe/Pt(111)系統之 (a)Pt 237 eV 與 Fe 703 eV 歐傑訊號強度變化(b)縱向矯頑力與柯爾訊號強度變化[39]. 26.

(45) 由圖 2-5-7 (a). 5 ML Fe/Pt(111)系統加熱退火溫度達 610 K 後，Pt 237eV 歐. 傑訊號開始下降，同時 Fe 703 eV 歐傑訊號開始上升，說明了退火溫度 610 K 後，於上層的 Fe 原子開始往深層移動，與下層的 Pt 原子化合，形成了 Fe-Pt 合金；而縱向之矯頑力與柯爾訊號圖 2-5-7 (b) 也在退火溫度達 610 K 後開始增加，由此可知當 Fe 與 Pt 形成合金後，將提高其矯頑力與柯爾訊號強度。. 2-6. 磁交換耦合彈簧效應由於現代科技的量子化，追求高密度儲存技術是科學家所重視的，對硬磁材料而言，其具有較大之矯頑場，不易受到外加磁場或是熱擾動之影響，但良好之硬磁材料通常存在於昂貴的貴重金屬材料中，相對而言，其飽和磁化量較小，較不利於儲存密度增加；軟磁材料，其矯頑場較小但卻具有較高之飽和磁化量，有助於儲存密度的增加。由以上因素，尋找新的永磁材料是科學家一直所努力的目標。若於基底鍍上硬磁材料，以此系統為基底，再鍍上軟磁材料，藉著下層之硬磁材料釘扎上層住軟磁材料，亦即由下層硬磁材料提供大的矯頑場，而上層之軟磁材料層提供較高的飽和磁化量，而達到高矯頑力及高飽和磁化量，逕而獲得高磁能積材料，此一現象即稱磁交換耦合彈簧效應(exchange-spring) [21]；磁交換耦合彈簧效應早在 1991 年就有文獻開始探討[21]，而近年來開始蓬勃發展，像在 Fe/Fe-Pt 系統已有大量之研究[42]。我們以(圖2-6-1)來探討磁交換耦合彈簧效應；在一軟磁/硬磁系統中，施加外加場，起初於系統中硬鐵磁層的部分磁矩不發生偏轉，而此時的軟鐵磁層卻已經開始翻轉，但靠近硬鐵磁層(接近介面部分)之磁矩卻被釘扎住，使軟鐵磁層磁矩，受軟鐵磁-硬鐵磁系統耦合力而減小(軟鐵磁無法完全被釘扎住)；隨著距離界面愈遠，軟鐵磁層中之磁矩方向會逐漸偏向外加磁場方向。最後當外加場加到了一定的強度，硬鐵磁層開始翻轉。在軟鐵磁層偏轉的過程a→b中(圖2-6-1)，為緩慢的偏轉，此時若讓外加場歸零，軟鐵磁層仍然被硬鐵磁層釘扎住，使軟鐵磁層回復到和硬鐵磁層同向，使磁滯曲線仍照著原路線，此現象稱為磁交換耦合彈簧效應。. 圖 2-6-1 磁交換耦合彈簧效應示意圖[43]. 27.

(46) Suess等人於 2005年發表於 Appl. Phys. Let之圖[44]中可以得知，磁交換耦合彈簧效應發生在兩物質之介面，於圖2-5-2，可以發現到隨著外加磁場從 0.5T開始增加到 0.74T，於下層的硬磁材料磁矩還尚未受外加磁場影響，而上層的軟磁材料已經開始受到外加磁場影響，值得注意的是軟磁材料中，遠離硬磁的部分受外加磁場影響較大，而靠近硬磁材料部分，仍然可以被硬磁材料所釘扎住；當外加磁場繼續增加，可以發現到下層之硬磁材料已無法有效釘扎住上層之軟磁性材料。. 圖 2-6-2 外加磁場下，磁交換耦合彈簧效應示意圖[44]. 在此篇文獻中，也指出硬磁薄膜厚度在軟磁 / 硬磁系統對磁交換耦合彈簧效應的影響，他們得到能量障壁和硬磁薄膜厚度占整體薄膜總厚度的比例有關，比例適當時(於0.2-0.5 範圍間)，可獲得最大之熱穩定度(能量障壁最大)，即擁有較好的磁交換耦合彈簧效應，於文獻中指出軟硬磁之尺度約在奈米等級。. 28.

(47) Chapter 3 實驗原理與儀器 3-1. 超高真空系統(ultrahigh vacuum, UHV) 本實驗室之超高真空系統如 3-1-1 所示。. 圖 3-1-1 超高真空系統裝置圖[28]. 29.

(48) 3-1-1 需要超高真空的理由在表面研究實驗中，為了獲取真實的表面信息，為了避免受汙染，實驗必須處於在最乾淨環境下進行，而超高真空則是最接近的條件，原因如下：. 1. 若位於壓力過高的環境中，氣體將較快在樣品之上形成分子或分子膜，因表面實驗即探測最表面的數個原子層，過多雜質沈積則會影響實驗結果。. 2. 研究表面物理之儀器大部分是應用電子或離子與表面原子之互動行為(如電子繞射、電子碰撞、歐傑電子、光電子…等等)來探測表面成分與結構；但若是在壓力過高的環境下運作，這些粒子的平均自由徑(mean free path)則會過小，代表著粒子間碰撞會越頻繁，儀器對於樣品表面傳回的電子訊號分辨率會下降，數據的正確及可信度即大大的下降。由氣體動力論，可推導出雜質於樣品之上形成一層分子膜所需的時間 τ。推導如下：由動力學可知理想氣體每秒通過單位面積的粒子數 n 為：. s. 1 n  N   s 4. （3.1.1）. 接著由氣體動力論可得：. RT  n  N  2.7 1022 s 2M MT 其中： 30. （3.1.2）.

(49) N：單位體積的氣體分子個數（1/cm3）；N/V.  ：氣體分子平均速度（cm/s） R：理想氣體常數；8.3×107（cgs 制） M：雜質氣體分子量；取 28 g/mole（對 N2 而言） T：絕對溫度；取 300 K ρ：雜質氣體壓力；（mbar）在 1 cm2 的樣品上約有 3  1014 個原子，即可得到下式的結果：. ν  1 06  ρ（monolayers/sec）. （3.1.3）. 由此可知在當壓力在 10-6mbar 時，只需數秒就可於表面舖上一層雜質分子膜。這也即為表面研究學者努力把壓力降下的原因了！由式（3.1.3）可推得壓力與舖上一層原子所需之時間 τ 的關係：. -6 τ  1  10 ν s ρ s. （3.1.4）. s：雜質對樣品的黏附係數（sticking coefficient）. 當處在不同真空度下，假設附著係數 s = 1 時，各種不同之氣體分子運動參數整理如表 3-1。由表我們得知需要在 10-10 mbar 的壓力之下，我們才能有數小時乾淨的樣品表面以供操作實驗。. 31.

(50) 壓力(mbar). 10 3. 10 6. 10 8. 10 10. 10 12. N (1/ cm3 ). 2.7  1019. 2.7  1010. 2.7  108. 2.7  106. 2.7  104.  (分子數/秒) 2.8  1023. 2.8  1014. 2.8  1012. 2.8  1010. 2.8  108.  (cm). 6  106. 6  103. 6  105. 6  107. 6  109. . 3  109 秒. 3秒. 5分. 8.5 小時. 35 天. 表 3-1 不同壓力下氣體分子的各種參數值[45]. 3-1-2 超高真空腔與抽氣系統 1. 超高真空腔：由美國 MDC 公司所製，型號為 SSAC-12D 2. 抽氣系統：本實驗室的抽氣系統包含四部分，目前真空腔的壓力最好可達. 9  1011 mbar。 3.. (a) 油式迴轉幫浦（rotary vacuum pump）：圖 3-1-2 最佳壓力圖  原理：利用幫浦油使機械潤滑及真空密合，抽氣範圍從一大氣壓到 10-3torr。內部構造主要為帶有葉片的轉子，為使葉片與幫浦主體密合通常會加入幫浦油，再透過轉子的轉動將氣體排出。但因內部有油幫助潤滑，難免會有油氣回流真空腔之虞，所以此種幫浦主要用在外部氣體迴路清潔，不直接連接真空腔。  設備：台灣中美科學公司代理，廠牌為 Edwards，型號為 BS-2212 (b)渦輪分子幫浦組：主要分為薄膜式幫浦（diaphragm pump）與渦輪分子幫浦（turbo molecular pump）兩部分。為台灣漢彊公司代理，廠牌為 PFEIFFER，型號為 TSU-521。 32.

(51)  薄膜式幫浦：內部分為兩個不相連的空間，分別為抽氣及排氣空間，各由單向閥門控制氣體出入，上方由彈性薄膜覆蓋形成密閉空間，薄膜透過連桿與馬達相連接，馬達轉動帶動薄膜膨脹與壓縮，使內部空間產生壓力差藉由將氣體排出。因在大氣下可運作，在渦輪分子幫浦組內作為前級抽氣系統。.  渦輪分子幫浦：內部由多組扇葉組成，利用高速旋轉的扇葉將氣體分子壓縮，再經旋轉的葉片帶動使氣體分子撞擊排出真空腔外。對不同氣體的抽氣效率有所差別，一般而言，分子量愈小的氣體抽氣效率越差。而高速旋轉的扇葉難免有震動方面的問題，若實驗環境需要極好的無震動狀態則不適合使用此種幫浦，且高速旋轉的扇葉不可受外力撞擊，或大量氣體通過，否則會造成葉片受損；故一般分子幫浦都有其他幫浦作為前級抽氣設備，且在 10-2 mbar 以下的壓力才會全速運轉。當真空腔內有大量氣體欲抽出時，也會先使其轉速降低後再進行抽氣動作。. (c) 離子幫浦（ion pump）:  原理：離子幫浦的工作原理是將氣體分子離子化，然後利用電場和磁場，使其加速撞向活性大的鈦金屬板，進而吸附於上。其運轉時，安靜無聲、沒有油氣產生的疑慮、不用冷卻裝置、操作時所需能量少、壽命長…等都是其優點。但其適合的抽氣範圍為高真空，故並不適合獨立於低真空中開始抽氣；故一般都配合機械及渦輪分子幫浦，等到達到高真空後再交給離子幫浦獨立運作，在此種情況下，只要真空腔不漏氣，即使遇到停電，只要電源回復，離子幫浦也可立即恢復運轉，是維護超高真空的利器。但不可避免的，由於離子幫浦內有極強的磁場，因此在其 33.

(52) 附近會產生雜散的磁場，對其他偵測的帶電粒子可能產生影響。  設備：美國 Varian 廠製 VacIon Plus 150 Diode，型號 919-0404。標準抽氣(氮氣)速率 150  /s，使用壽命為在 1106 mbar 的壓力下連續使用 50000 小時，工作電壓為 7000 Vdc±10%，最好可抽至壓力低於 1011 mbar。 (d) 鈦昇華幫浦（Titanium sublimation pump）：  原理：鈦昇華幫浦的工作原理是利用大電流通過鈦燈絲，使鈦金屬加熱昇華為氣體，藉由鈦活性大、容易游離，進而吸附其它分子，再由其它抽氣設備抽走。不同於前三種幫浦，被動的等氣體分子跑到幫浦附近時才加以捕捉的方式，鈦昇華幫浦算是主動出擊的，但鈦幫浦啟動時，由於鈦蒸汽的釋出，因此壓力會先上升，且鈦燈絲為昂貴消耗品，故一般不長時間開啟，只是間歇以作為增高真空度之用。  設備：英國 ITL 廠製，型號 TSP4C。共有三根鈦金屬棒，工作電流為 50 A。單靠上述的抽氣設備達到超高真空並不足夠，還必須於提高真空度的過程，將整個腔體進行烘烤的動作。且在達到超高真空後，對鍍源系統、加熱系統、以及各類探測儀器進行釋氣的步驟，如此才可獲得一個好的超高真空環境。. 34.

(53) 3-1-3 樣品清潔與升降溫系統 1. 樣品清潔系統我們使用離子濺射（ion sputtering）的方式來清潔樣品表面。首先利用微調氣閥將氬氣（99.99%）由鋼瓶中引進離子鎗（型號為 ISE５，歐美加製造)內，使其壓力達 1  10 5 mbar，此時離子鎗再將其激發成氬離子，並以電場加速，使離子動能為 1500 eV～2000 eV 撞擊樣品表面，此時樣品表面雜質受氬離子撞擊脫落，再由抽氣系統捕捉。因碳在高溫時易結晶成石墨，所以離子鎗在運作時容易在正負極積存石墨，造成正負極導通，無法提供氬氣高場激發。我們利用破真空時酸洗離子鎗，將其元件、陶瓷、石英管等依序經酸洗 ( 酸成分:冷水 267 ml、硝酸 100 ml、氫氟酸 60% 10 ml ) 、水洗、丙酮洗、甲醇洗完全清除碳跡後烘乾，再進行組裝，使離子鎗恢復正常工作。 2. 樣品升降溫系統經離子濺射過後之樣品，其表面原子被打亂而呈現凹凸不平的狀態，此時原子必須經過重新排列，才有平坦的單晶面以供實驗。我們採用退火效應( annealing effect )，即將樣品進行加熱，利用原子受熱獲取動能得以移動，進而達到原子重排的效果。樣品的升降溫系統如圖 3-1-3 所示，說明如下：  加熱系統是使用鎢絲長 70 cm，直徑 0.25 mm，穿過 17 根內徑 0.30 mm、外徑 1.2 mm、長 2 cm 之雙孔陶瓷(99.97% Al2O3)，並將其作柵狀排列，置於樣品後背方鉬盒內。當加熱時，通電流使鎢絲發熱再傳到樣品，並藉由 K－TYPE 熱電偶溫度計量測樣品的溫度。 35.

(54)  降溫系統是從蛇管通入已經由液態氮降溫之氮氣，進而冷卻藍寶石(sapphire)，藉由藍寶石導熱不導電之特性，消耗樣品上的熱量達到降溫效果。. 圖 3-1-3 樣品升降溫系統裝置圖[46] 3-1-4 蒸鍍系統本實驗室採熱蒸鍍的方式鍍膜，隨鍍源金屬特性不同而採用不同的架設方式，分述如下： 1. 鐵鍍源：由於鐵鍍源受熱可直接昇華，因而採用直熱式設計。鐵鍍源之製作是截取 36.

(55) 150 mm 長，直徑 1 mm 之鐵絲(純度 99.995%)，兩端各留 35 mm 作為接腳，將其繞在直徑 6. mm 的十字起子 3 圈，再將鐵鍍源直接固定於電子透上之轉接頭. (adapter)，如圖 3-1-4，蒸鍍時，通以 11 A 的電流，即可使鐵絲生熱而釋放出鐵原子。在蒸鍍的過程中，鐵燈絲常會因為高溫而軟化變形，所以蒸鍍過程中須注意：若調升的電流過快，易使鐵燈絲加熱不均勻則鐵燈絲容易變形而使圈和圈之間相接觸，此時的蒸鍍速率將會不穩定。. 圖 3-1-4 鐵鍍源裝置圖[47]. 2. 鈷鍍源的設計和鐵鍍源一樣，均採直熱式的設計。製作的方法和鐵鍍源相似，只是改用 150 mm 長，直徑 0.5 mm 的鈷絲(純度 99.995%)，留兩段 35 mm 作為接腳，再將其繞在直徑 2.4. mm 的十字起子 7.5 圈，並將鈷鍍源直接固定於. feedthrough 上之轉接頭(adapter)，如圖 3-1-5，蒸鍍時，通以 4.6 A 的電流，使鈷絲生熱而釋放鈷原子。. 圖 3-1-5 鈷鍍源裝置圖[47] 37.

(56) 3-1-5 氣體管路本實驗室系統中，使用到的氣體有做離子濺射用的氬氣及進行曝氧實驗中所需的氧氣，這兩種氣體構成了外部的氣體迴路，由於管路與外部直接接觸，大氣壓力和內部高真空所造成的壓力差，多少會讓氣體管路所使用之閥門有漏氣之虞，故必需定時清潔氣體管路，我們將油式迴轉幫浦與氣體管路連接作為前級抽氣系統，進而再連接渦輪分子幫浦抽氣以達到清潔管路的效果。氣體管路如圖 3-1-7 所示，各閥門用途說明如下: 閥門 V1：全金屬角閥，主要控制流向油式迴轉幫浦的氣體，用於清潔管路初級抽氣。閥門 V2：微調式漏氣閥(variable leak valve)，主要控制用於離子濺射的氬氣進出。閥門 V3：全金屬角閥，只在清潔氬氣迴路時開啟。閥門 V4：閘門閥(gate valve)，與蛇管一同連接真空腔體與渦輪分子幫浦。閥門 V5：閘門閥(gate valve)，控制氬氣、氧氣與渦輪分子幫浦之間進出，用於清潔氣體迴路。閥門 V6：微調式漏氣閥，用於控制曝氧至真空腔體之曝氧量。閥門 V7：直通閥(inline valve)，用於控制氧氣迴路清潔。. 38.

(57) V6 zz. 門. V2. 13. V3. 3. V4 V7 V1 V5 6. 圖 3-1-6 氣體管路圖[48]. 3-1-6 其他系統 1. 壓力量測系統：美國 MDC 廠製造，型號 PGC3-2T。包含兩個部分： 熱壓力計（thermal gauge），量測壓力範圍：> 10-4 mbar 離子壓力計（ion gauge），量測壓力範圍：< 10-4 mbar. 2. 測漏系統：殘餘氣體分析器（residual gas analyzer，簡稱 RGA）原理：其內部主要分成三部分：離化器（ionizer）、離子過濾器（ion filter）、離子接收器（ion detector）。超高真空內氣體分子經過離化器離子化，進入離子過濾器，離子過濾器主要由四個電極棒組成，因不同荷質比之離子在電場作用下運動軌跡不同，電極改變電壓讓各種質量之離子能進入離子接收器，進而分析各種質量之氣體分子。本實驗室所採用殘氣分析儀能掃的分子質量範圍在 1~200 amu，工作壓力在 10-4 torr 以下。型號：台灣漢彊公司代理，廠牌為 SRS，型號為 RGA 200。 39.

(58) 3. 表面探測系統：  RFA-AES 系統，詳見 3-2。  RFA-LEED 系統，詳見 3-3。  SMOKE 系統，詳見 3-4。. 3-2 歐傑電子能譜儀（Auger electron spectroscopy，AES） 3-2-1 歐傑效應當原子失去一個內層電子，而成為不穩定之激發態時，原子必定傾向釋放能量，以達到能量較低之穩定態；這樣的過程包含兩種方式，一種是光效應的過程，另一種是歐傑效應的過程，如圖 3-2-1 所示分述如下： (1) 能量 Ei 的光子或電子撞擊原子，使得 K 層電子游離，而在 K 層產生電洞，此時原子為不穩定之激發態。 (2) 因未達到穩定態，使得較外層之 L1 層電子躍遷至 K 層填補電洞，釋放出能量. EK  EL 。 1. (3) 此能量 EK  EL1 則以兩種方式釋放出來：.  直接以光子形式釋放出，此即 X 光激發效應。光子能量 h ＝ EK  EL1. (3.2.1).  此能量 EK  EL1 被更外層 L2 層的電子所吸收，而此能量大於 L2 層束縛能. E L ，使該電子脫離原子而成為所謂的歐傑電子，此即為歐傑效應。 2. 40.

(59) 歐傑電子能量 E KL1L2 ＝ E K  E L1  E L2. (3.2.2). 圖 3-2-1 歐傑效應與光效應[51]. 至於釋放能量的過程是產生光效應或是歐傑效應，則與原子序 Z 有很大的關係，歐傑效應發生的機率與原子序之關係如圖 3-2-2 所示，其中『點』是理論計算出之結果，而『實線』則為實驗擬合的結果。基本上歐傑效應是電子間重新排列的一種過程，當原子序大時，代表電子數目較多，其交互作用較多，不易重排，因而產生歐傑電子的機率也偏低。. 41.

(60) 圖 3-2-2 歐傑效應與光效應產生機率與原子序之關係. [52]. 由式(3.2.2)可知，歐傑電子的能量與入射光子或電子能量無關，只與原子內各軌域間之能量差有關，因此歐傑電子能譜術即可用於鑑別樣品表面的成分。因電子分佈軌道的不同，一種原子通常可釋放出數種能量的歐傑電子，常見的有 KLL、LMN…等。但因至少需有三個電子參與歐傑效應，故原子序小於 3 之元素( H 與 He )無法產生歐傑電子。. 3-2-2 歐傑電子能譜將數千電子伏特電子束(或光子束)射向樣品後，偵測樣品表面游離出之電子，再分析其能量分佈圖形，即可得電子能譜，如圖 3-2-3 所示。除了在低能量處有很大的二次電子背景峰值之外，尚且有許多小峰值，其位置隨著樣品種類而異，這些電子即代表歐傑電子。. 42.

(61) 圖 3-2-3 電子能譜圖[45]. 若要計算出能量為 E1 之歐傑電子個數，則應計算峰值下面積，但因背景值甚大，故歐傑電子的小峰值並不易觀察到。為解決這樣的問題，常用高斯分佈函數來近似峰值，且由計算可推圖 3-2-4 微分電子能譜圖[11]. 得能量為 E1 之電子個數會與微分. 譜上（對能量 E 微分）極大與極小值的高度差成正比，且微分能譜高度差遠較原始峰值來的明顯且易讀取，如圖 3-2-4 所示。通常 AES 手冊上所附之索引圖也均為微分能譜圖，故操作 AES 時，一般先由儀器偵測電子能譜，而後再經電腦計算或其他方式得到微分能譜，我們藉著讀取微分能譜上的極值訊號判定元素成分的大小。. 43.