鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾效應及鐵磁共振研究鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾效應及鐵磁共振研究

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(1)國立台灣師範大學物理研究所碩士論文. 鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾鈷鐵硼銅薄膜的磁光柯爾效應及鐵磁共振研究 Study of CoFeBCu thin films by means of MOKE and FMR. 指導教授：指導教授：盧志權博士研究生：陳均達撰中華民國一百零一年七月.

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(3) 摘要在二氧化矽(SiO2)的基板上，以磁控式共濺鍍(Co-Sputtering)成長 20nm 及 30nm (Co40Fe40B20)1-xCux 薄膜，其 x 分別是 0、15、25、35 及 50。柯爾磁光效應(Magnetic Optical Kerr Effect, MOKE)對樣品做不同角度的量測可得知磁異向性；當參雜 Cu 比例增時 CoFeBCu 薄膜的表面磁異向性從二重對稱(2-fold symmetry) 過渡到各向同性。以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)量測樣品表貌，發現隨著參雜金屬 Cu 增加時，樣品從柱狀排列變均勻分布的顆粒排列，印証了磁異向性的變化。樣品的矯頑力 (coercivity)也隨著金屬 Cu 成分增加而變小；從 0.052(Oe)下降至約為 0(Oe)。從鐵磁共振(Ferromagnetic Resonance, FMR)分析結果顯示樣品的磁異向性係數Ku(anisotropy constant)，隨著參雜金屬 Cu 成分增加從 7.33 (J/m3)下滑至 3.33(J/m3)，吉爾伯特阻尼係數α(Gilbert damping constant)則隨著 Cu 成分增加從 0.05 上升至 0.18。. 關鍵字: 鐵磁共振(FMR) 磁光柯爾效應(MOKE) 鈷鐵硼(CoFeB). I.

(4) 致謝從大學到研究所念了六年的物理，對於書本上的知識總覺得遙不可及，直到進了實驗室後，在盧老師輕鬆詼諧的行事風格下動手做實驗過程是快樂的，儘管有些重複性的工作會讓我感到枯燥乏味，莫名其妙的天災人禍會令我挫折，雖然過程中遇到了許多問題但試著以自己的方法以及老師學長的協助來成功解決這些困難就是最好的學習，這經驗也讓我從書本的物理世界跳脫到實際生活面。感謝致維學長以及修維學長在實驗以及研究過程中的莫大幫助以及家人在背後默默的支持還有各位學弟妹為實驗室帶來了一點生氣。. II.

(5) 目錄第一章緒論 ....................................................................................................... 1 1.1. 磁性來源 .............................................................................................. 1. 1.2. 磁性物質分類 ...................................................................................... 2. 1.3. 研究動機 .............................................................................................. 4. 第二章文獻回顧 ............................................................................................... 6 2.1. 磁滯 ...................................................................................................... 6. 2.2. 微觀磁性 .............................................................................................. 7. 2.3. Stoner-Wohlfarth Model ...................................................................... 8. 2.4. Magnetization Reversal ...................................................................... 10. 2.5. 磁光柯爾效應 .................................................................................... 10. 2.6. 鐵磁共振 ............................................................................................ 13. 第三章實驗儀器與方法................................................................................. 18 3.1. 實驗儀器 ............................................................................................ 18. 3.1.1 濺鍍系統 ........................................................................................ 18 3.1.2 磁光柯爾量測儀 ............................................................................ 19 3.1.3 鐵磁共振頻譜儀 ............................................................................ 20 3.2. 實驗流程 ............................................................................................ 21. 3.2.1 樣品製作 ........................................................................................ 21 第四章實驗結果與分析................................................................................. 28 4.1. 磁光柯爾效應量測結果 .................................................................... 28 III.

(6) 4.2. 異向性 ................................................................................................ 33. 4.3. 原子力顯微鏡量測結果 .................................................................... 36. 4.4. 矯頑力與薄膜厚度與成份的關係 .................................................... 38. 4.5. 鐵磁共振效應量測結果 .................................................................... 40. 4.6. 角度與鐵磁共振磁場關係 ................................................................ 44. 4.7. 角度與鐵磁共振頻譜共振磁場半高寬關係 .................................... 46. 第五章結論 ..................................................................................................... 49 參考文獻 ........................................................................................................... 50. IV.

(7) 圖目錄圖 1.2.1 磁矩排列的方式示意圖..................................................................... 3 圖 1.3.1 50nm 鎳鐵合金與不同金屬參雜 ....................................................... 5 圖 2.1.1 磁滯曲線示意圖................................................................................. 6 圖 2.3.1 Stoner-Wohlfarth model ....................................................................... 8 圖 2.3.2 單一磁區磁滯曲線隨外加磁場方向變化圖 .................................... 9 圖 2.5.1 光入射磁性物質介面....................................................................... 10 圖 2.5.2 磁光柯爾效應示意圖....................................................................... 11 圖 2.6.1 鐵磁共振角度相關示意圖............................................................... 15 圖 3.1.1 濺鍍系統裝置圖............................................................................... 19 圖 3.1.2 磁光柯爾量測儀............................................................................... 20 圖 3.1.3 鐵磁共振量測儀............................................................................... 21 圖 3.2.1 MOKE 電腦程式操作介面 ............................................................... 24 圖 3.2.2 MOKE 樣品載台旋轉示意圖 ........................................................... 25 圖 3.2.3 FMR 樣品載台 ................................................................................. 26 圖 3.2.4 FMR 電腦程式操作介面 .................................................................. 26 圖 3.2.5 FMR 樣品載台旋轉示意圖 .............................................................. 27 圖 4.1.1 20nmCo40Fe40B20 磁光柯爾效應量測結果....................................... 28 圖 4.1.2 20nm(Co40Fe40B20)85Cu15 磁光柯爾效應量測結果 .......................... 29 圖 4.1.3 20nm(Co40Fe40B20)75Cu25 磁光柯爾效應量測結果 .......................... 29 圖 4.1.4 20nm(Co40Fe40B20)63Cu37 磁光柯爾效應量測結果 .......................... 30 圖 4.1.5 30nmCo40Fe40B20 磁光柯爾效應量測結果....................................... 30 圖 4.1.6 30nm(Co40Fe40B20)86Cu14 磁光柯爾效應量測結果 .......................... 31 圖 4.1.7 30nm(Co40Fe40B20)76Cu24 磁光柯爾效應量測結果 .......................... 31 圖 4.1.8 30nm(Co40Fe40B20)65Cu35 磁光柯爾效應量測結果 .......................... 32 V.

(8) 圖 4.1.9 30nm(Co40Fe40B20)50Cu50 磁光柯爾效應量測結果 .......................... 32 圖 4.2.1 20nm 樣品角度 0 度磁光柯爾效應量測結果 ................................. 33 圖 4.2.2 30nm 樣品角度 0 度磁光柯爾效應量測結果 ................................. 34 圖 4.2.3 20nm 樣品角度 45 度磁光柯爾效應量測結果 ............................... 34 圖 4.2.4 30nm 樣品角度 45 度磁光柯爾效應量測結果 ............................... 35 圖 4.2.5 20nm 樣品角度 90 度磁光柯爾效應量測結果 ............................... 35 圖 4.2.6 20nm 樣品角度 90 度磁光柯爾效應量測結果 ............................... 36 圖 4.2.7 20nmCo40Fe40B20AFM 1µmx1um 量測結果 .................................... 37 圖 4.2.8 20nm(Co40Fe40B20)63Cu37AFM 1µmx1um 量測結果 ....................... 37 圖 4.3.1 Co40Fe40B20Cu 薄膜與矯頑力關係圖 ............................................... 38 圖 4.3.2 參考資料 Co40Fe40B20 薄膜經退火處理矯頑力關係圖.................. 39 圖 4.4.1 20nmCo40Fe40B20 鐵磁共振量測結果............................................... 40 圖 4.4.2 20nm(Co40Fe40B20)85Cu15 鐵磁共振量測結果 .................................. 41 圖 4.4.3 20nm(Co40Fe40B20)75Cu25 鐵磁共振量測結果 .................................. 41 圖 4.4.4 30nmCo40Fe40B20 鐵磁共振量測結果............................................... 42 圖 4.4.5 30nm(Co40Fe40B20)86Cu14 鐵磁共振量測結果 .................................. 42 圖 4.4.6 30nm(Co40Fe40B20)74Cu26 鐵磁共振量測結果 .................................. 43 圖 4.4.7 30nm(Co40Fe40B20)65Cu35 鐵磁共振量測結果 .................................. 43 圖 4.5.1 20nm 薄膜鐵磁共振吸收磁場與角度關係圖 ................................. 44 圖 4.5.2 30nm 薄膜鐵磁共振吸收磁場與角度關係圖 ................................. 45 圖 4.5.3 Co40Fe40B20Cu 薄膜鐵磁共振吸收磁場與角度關係圖................... 45 圖 4.6.1 20nm 薄膜鐵磁共振吸收磁場半高寬與角度關係 ......................... 46 圖 4.6.2 30nm 薄膜鐵磁共振吸收磁場半高寬與角度關係 ......................... 47 圖 4.6.3 Co40Fe40B20Cu 薄膜鐵磁共振吸收磁場半高寬與角度關係........... 47. VI.

(9) 表目錄表格 1 CoFeB 濺鍍速率表 ............................................................................. 22 表格 2 Cu 濺鍍速率表 .................................................................................... 23 表格 3 20nm 薄膜實驗擬和結果 ................................................................... 48 表格 4 30nm 薄膜實驗擬和結果 ................................................................... 48. VII.

(10) 第一章緒論磁性物質在人類生活上已經被運用了數千年之久，從古代的指南車到工業革命時期的發電機電學與磁學的相輔相成直到二十一世紀的現代鐵磁性物質在我們日常生活中是隨處可見的，磁性物質廣泛的應用到硬碟、記憶卡、暫存式記憶體等等，在資訊爆炸的現代因此需要有更多的儲存資訊空間以及更快速的資訊讀取速度是不可或缺的，因此對磁性物質的發展以及應用仍然有相當多的研究投入其中。. 1.1 磁性來源所有物質均是原子所組成，原子內包含了原子核和電子，當帶負電的電子圍繞著原子核做週期性旋轉時會產生磁矩 (magnetic moment) [1]，磁矩會在周遭產生磁場 (magnetic field)，單位體積所含磁矩稱為磁化強度 (magnetization)。 1.1 常用磁通量密度 (magnetic flux density)來表示感應磁場，感應磁場與磁場、磁化強度的關係為 1.2 其中. 為真空磁導係數(permeability of vacuum)，磁場及磁化強度之比. 定義為磁化率χ(magnetic susceptibility) 1.3. χ 1.

(11) 由於磁矩的機制是在原子的尺度下，所以利用量子的觀點來討論總磁矩可以表示成 1.4. −g 其中是總角動量由電子自旋角動量以及軌道角動量所組成 +. 1.5. ħ 2!". 1.6. = 而. 為波爾磁子(Bohr magneton) =. 其中為電子電荷、ħ為普朗克常數(Planck constant)而!" 為電子質量另外g是朗德因子(Land g-factor) g=1+. +1 +. 2. +1 − +1. +1. 1.7. 其中為總軌道量子數而S為自旋角動量量子數為角動量量子數，另外在過渡性金屬元素當中軌道量子數主要是由自旋量子數所貢獻J ≈ S，因此. g ≈ 2[2]。. 1.2 磁性物質分類當物質置於外加磁場時，磁化強度將會發生變化，利用物質本身磁化的難易程度，也就是磁化率χ的大小，將磁性物體分成 [2](1)反磁性 (Diamagnetism)、 (2)順磁性(Paramagnetism)、(3)鐵磁性(Ferromagnetism)、 (4) 反鐵磁性(Antiferromagnetism) 以及(5)亞鐵磁性(Ferrimagnetism)等五種，而影響磁化率χ的大小與其磁矩排列方式有關，如圖 1.2.1 所示。 2.

(12) 圖 1.2.1 磁矩排列的方式示意圖. (1) 反磁性所有物質皆具有反磁性，反磁性物質磁化率χ為很小的負數，而內部電子軌域都是成對出現，所以淨磁矩為 0 當在外加磁場下，物質內部的電子，由於冷次定律會產生與外加磁場方向相反的感應磁場，外加磁場會與感應磁場成反比。 (2) 順磁性順磁性物質磁化率χ為很小的正數，物質內部有未成對的電子，由於熱擾動的影響所以磁矩會凌亂的排列，當在外加磁場下磁矩會順著外加磁場排列，感應磁場會和外加磁場成正比。 (3) 鐵磁性鐵磁性物質磁化率χ為很大的正數，電子產生的磁矩會交互影響，而朝同方向排列具有自發磁化和磁滯現象，不過當溫度上升大於居禮溫度 () (Curie temperature)時，由於熱擾動影響大於磁矩之間交互作用，所以會轉換成順磁性。 (4) 反鐵磁性反鐵磁性物質磁化率χ為很小的正數，原子之間有較大交互作用力，磁矩成反平行排列，當溫度高於尼爾溫度(* (Neel temperature)時他的磁化行為就像是順磁性，不過當溫度小於尼爾溫度時他的磁化率會與外加磁場的方向有關。. 3.

(13) (5) 亞鐵磁性亞體磁性物質內部的磁矩排列方式與反鐵磁性物質相同，不過因為反平行排列的磁矩大小並不相同，所以相互抵銷後還會有剩餘磁矩，當溫度低於居禮溫度時，表現得像是鐵磁性不過磁化率沒這麼高，但溫度上升大於居禮溫度() 時，由於熱擾動影響大於磁矩之間交互作用所以會轉換成順磁性。. 1.3 研究動機近年來有相當多的文獻在探討鐵磁性金屬合金如鎳鐵合金[3]、鈷鐵合金 [3] 、以及鈷鐵硼 [4] 合金等等，其中軟鐵磁性的鈷鐵硼合金為非晶態 (amorphous)合金[5]，它不但具有低矯頑力(coercivity). [6]. 的特性，且有相當. 高的自旋極化率，在室溫下配合以 MgO 為絕緣層有高達~700%穿隧式磁電阻比[7](magnetic tunneling resistance ratio)，鈷鐵硼合金常被用來當作磁性穿隧介面當中的自由層(free layer)或釘軋層(pinning layer)[8]。從朗道-利佛席茲-吉爾伯特方程式(Landau-Lifshitz Glibert equation)當中的解可得到，磁性材料的吉爾伯特阻尼係數α(Glibert damping constant)，這參數決定磁矩在外加磁場作用下的鬆弛時間(relaxation time)，因此α在自旋電子元件中扮演相當重要的腳色；例如應用巨磁電阻效應[9](grain magnetic resistance)、磁性穿隧介面效應[10](magnetic tunneling junctions)等等。在鐵磁性材料當中參雜不同的材料，可以改變吉爾伯特阻尼係數的大小已經有相當多的文獻討論[11,12]，如圖 1.3.1 所示。. 4.

(14) 圖 1.3.1 50nm 鎳鐵合金與不同金屬參雜. 因此根據實驗室現有的資源，在二氧化矽基板上利用直流式濺鍍以及射頻式濺鍍來製作不同比例的鈷鐵硼銅薄膜，藉由柯爾磁光效應及鐵磁共振儀來找出樣品薄膜的磁異向性和吉爾伯特阻尼係數。. 5.

(15) 第二章文獻回顧 2.1 磁滯磁化現象是磁矩朝同方向整齊排列所產生，在鐵磁性物質外施加磁場，未磁化過的鐵磁性物質隨著外加磁場的上升，呈現可逆狀態感應磁場隨之上升，當感應磁場不在隨著外加磁場上升時，此時稱之為磁飽和場 + (saturation. magnetic)，當外加磁場去除之後物質總磁矩仍保持該磁化方. 向，則稱此現象為磁滯，此時剩餘的磁場稱作殘磁. , (retentivity. magnetic)，. 此時施一個方向相反的外加磁場，當感應磁場為零時此時所需要的外加磁場則稱作矯頑力. - (coercivity)，當磁場繼續上升則會再次達到飽和磁化，. 若再提供相反的外加磁場則會形成一條封閉的曲線，稱之為磁滯曲線[2]，如圖 2.1.1 所示。. 圖 2.1.1 磁滯曲線示意圖. 6.

(16) 2.2 微觀磁性磁性物質從微觀的角度來看磁域結構(domain structure)，磁域結構排列方式是物質內部整體自由能量(free energy)趨於最低總合的結果，其中主要能量有交換能量(exchange energy)、異向能量(anisotropy energy)、賽曼能量 (Zeeman energy)、去磁場能量(demagnetization field energy)以及應力能量 (strain energy)等等[1]。 ./0/12 = ."3 + .1 + .4" + .5 + .+/ + .6+ + ⋯. 2.1. 再連續均勻物質中交換能量可以表示為 ."3 = 8 9 ∇. ;. = ?. 2.2. < >. 其中9為交換剛性常數(exchange stiffness constant)，而的單位向量 ;. =. ?. ; 是在磁化強度方向. 2.3. @. 而異向性能量是磁異向性所導致，是指磁性物質磁化的難易程度因方向而異，其中較容易達到飽和磁化方向的稱之易磁化軸為(easy axis)，而較難達到飽和磁化的方向稱之為難磁化軸(hard axis)，由於磁異向性的關係會使得磁滯曲線有不同的變化，了解磁異向性有助於分析樣品特性[2]。影響磁異向性的因素很多，包括形狀、應力、交換、磁晶格形式、磁伸縮等以下就分別介紹磁晶格異向性(magneto crystal anisotropy)、形狀異相性(shape anisotropy)。而異向性能量可以表示為。 .1 = 8 A@ B1 − 其中. ; 是磁化強度方向而. ;. ∙. <D <. = ?. 是垂直介面方向. 7. 2.4.

(17) (1) 磁晶格異向性磁性物質內通常有三種交互作用力 (1) 自旋 - 自旋耦合 (spin-spin coupling)、(2)軌道-晶格耦合(orbit-lattice)以及(3)自旋-軌道耦合(spin-orbital coupling)前兩種屬於強作用力並不會造成晶體異向性，一般認為是自旋與軌道交互作用所導致，當處在晶格內電子受到外加磁場的影響而改變自旋方向，由於晶格束縛的影響所以變化會受到限制，不同方向的晶格束縛能力不同，因此與晶格方向有關的異向性稱之為磁晶格異向性。 (2) 形狀異相性要了解形狀異向性首先要先了解去磁場(demagnetization field)，磁化過後的鐵磁性物質外部磁場方向與內部磁場方向相反，內部的磁場為稱之為去磁場，一個幾何形狀不均勻的磁性物質，幾何短軸的去磁場大於幾何長軸的去磁場，導致長軸方向比短軸方向更容易磁化，與磁性物質的幾何形狀有關所以稱之為形狀異向性。而體積內部的去磁場能量為 1 .4" = − 8 2. 4. ∙. => ?. 2.3 Stoner-Wohlfarth Model. 圖 2.3.1 Stoner-Wohlfarth model 8. 2.5.

(18) 圖 2.3.1 為. Stoner-Wohlfarth model ，它是由史托勒 - 沃爾法斯. (Stoner-Wohlfarth)提出，在描述當尺度很小的磁性物體在不考慮熱擾動影響絕對溫度為零時，此時的磁性物質可以看作是單一磁區(single domain) 來討論，因此磁性物質的磁化強度是均勻的所以將磁性物質看作是一個橢圓球，其中θ為磁化強度與異向軸的夾角，而∅ 為外加磁場與異向軸夾角，由於只考慮賽曼能量(Zeeam energy)以及異向性能量(anisotropy energy) 所以可以把總量能表示為[1] . = AG HIJ< K − L L. + cos. K−∅. 2.6. 其中AG 為磁異性係數為磁晶異向係數以及形狀異向係數總和. 圖 2.3.2 單一磁區磁滯曲線隨外加磁場方向變化圖. 從圖 2.3.2 單一磁區的磁滯曲線圖中可以發現，當外加磁場在易磁化軸方向時矯頑力最大磁滯曲線很方正，隨著外加磁場方向變化磁滯曲線方正度會隨之下降，直到外加磁場在難磁化軸方向此時矯頑力最小。 9.

(19) 2.4 Magnetization Reversal 磁翻轉是描述磁性物質裡，磁矩在外加磁場影響下變化的過程，藉由磁滯曲線中的矯頑力、殘磁等等，輕易地看出磁矩整體巨觀的變化趨勢，磁翻轉過程是非常複雜的它是磁性物質中的賽曼能量、異向能量、交換能量(exchange energy)、以及去磁能量(demagnetization energy)等等能量處在最低狀態的結果。. 2.5 磁光柯爾效應. 圖 2.5.1 光入射磁性物質介面. 光入射磁性物質介面後會發生反射與折射，如圖 2.5.1 所示。而磁性物質放置在外加磁場下，或是本身的磁矩所造成的自發磁化，會讓物質內部具有磁雙折射(magnetic birefringence)現象，使得入射光的左旋光與右旋光的折射率不相同，當線性偏振光入射磁性物質表面時，其反射光束與原偏振光產生偏轉角，具相位差的左旋光與右旋光疊加後形成橢圓偏振光，此種光與磁的效應稱之為柯爾磁光效應(magneto-optical Kerr effect)依入射光和磁化方向的幾何關係可以將磁光柯爾效應分成三種(1)極向磁光柯爾效應(polar-MOKE)、(2)縱向磁光柯爾效應(longitudinal-MOKE)以及(3)橫向磁 10.

(20) 光柯爾效應(transverse-MOKE，)如圖 2.5.2 所示。. 圖 2.5.2 磁光柯爾效應示意圖. 根據介電質理論(dielectric theory)，均勻物質在外加磁場下產生磁化後，此物質的電位移 D(electric displacement)可以表示成 P = Q. + IQ. R S. 2.7. 其中Q是介電常數(permittivity)而S為福格特向量(Voigt vector)，因為介電常數在不同方向非對稱的關係，所以會造成左旋光與右旋光折射率不相同。而入射偏振光有 P state 以及 S state 分量，所以可以把入射光表示為 .. .T Û. .+ Ĥ. 2.8. 其中.+ 是入射光平行入射面的分量，而.T 是入射光垂直入射面的分量，當入射光經過磁性介質反射後，反射光同樣也是由 p-stat 及 s-state 組成 .,. .T, Û. .+, Ĥ. 2.9. p-stat 入射光在反射後會有 p-state 以及 s-state 的分量，而 s-state 入射光在反射後也會有 p-state 以及 s-state 的分量，因此可以把入射光以及反射光的關係表示為[13] .T, Z ,[ .+. ?TT \? +T. ?T+ .T ?++ ] Z .+ [. 2.10. 其中 r 為反射係數，接著分別討論極向磁光柯爾效應、縱向磁光柯爾效應以及橫向磁光柯爾效應的反射係數。以下為磁導率(permeability)而_為折射率(refractive index). 11.

(21) (1) 極向磁光柯爾效應光強度在反射後沒有變化因此反射係數表示為 T. ?TT =. ` _< − < _` ` _< + < _`. T. , ?++ =. < _` − ` _<. 2.11. ` _< + < _`. 橢圓率在經過反射後會發生變化因此反射係數表示為 T. T. ?+T = ?T+ =. −I ` < _` _< S < _` + ` _< ` _< + < _`. 2.12. (2) 縱向磁光柯爾效應光強度在反射後沒有變化因此反射係數表示為 b ?TT =. ` _< cdHK`. − ` _< cdHK` +. < _` cdHK< < _` cdHK<. , ?++b =. < _` cdHK`. − < _` cdHK` +. ` _< cdHK< ` _< cdHK<. 2.13. 入射光從線偏振變成橢圓偏振因此其反射係數為 b b ?+T = −?T+ =. −I ` < _` _< cdHe` HIJK< S < _` cdHK` + ` _< cdHK< ` _< cdHK` +. < _` cdHK<. 2.14. (3) 橫向磁光柯爾效應橢圓率在經過反射後不會變化因此反射係數為零 f f ?+T = ?T+ =0. 2.15. s-state 入射光在反射後光強度沒有變化因此反射係數表示為 ?++f =. < _` cdHK`. − < _` cdHK` +. ` _< cdHK<. 2.16. ` _< cdHK<. 而 p-state 入射光在反射後光強度會發生變化因此其反射係數表示為 f ?TT =. ` _< cdHK`. − ` _< cdHK` +. < _` cdHK< < _` cdHK<. +I. 2I. ` < _` _< cdHK` HIJK< S. ` _< cdHK`. 12. +. < _` cdHK<. <. 2.17.

(22) 磁光柯爾效應量測磁化強度為 P、L 以及 T 各分量的總和 =. g. +. b+. f. 2.18. 從瓊斯矩陣(Jones matrix)橢圓偏振光通過線偏振透鏡後光強度為 hi ≈ 2K1 Ki j1 − Qi < − K1 < k + jQi < + K1 < + Ki < k + Qi < K1 <. 2.19. 其中橢圓率Qi 為短軸與長軸比、K1 為橢圓長軸與線偏振鏡夾角而，Ki 為柯爾旋轉角(Kerr rotation) T. Ki =. ?+T ?T+ , Ki@ = ?TT ?++. 2.20. 因為Qi 、K1 、以及Ki 皆很小所以忽略二次項後 hi ≈ 2K1 Ki. 2.21. 因此藉由橢圓偏振光的柯爾橢圓率Qi 、Ki 、K1 以及外加磁場即可得到磁滯曲線。. 2.6 鐵磁共振鐵磁共振的效應是由於鐵磁性物質內部的磁矩在外加磁場的作用下會產生能階分裂，如果輸入電磁波能量與分裂能階相同，則系統會將能量吸收，稱此現象為鐵磁共振效應。下面以古典模型的角度來解釋，帶有磁矩的電子在均勻磁場下，能量可以表示成 2.22. E=− ∙. 13.

(23) 而磁矩在外加磁場作用下會產生力矩 m=. 2.23. R. 磁偶極矩和自旋所產生的角動量比值為常數n稱作磁旋比(gyromagnetic ratio) n = −. =. o| | 2!". 2.24. 其中而 o ≈ 2是朗德分裂因子(Land’s splitting factor)，是電子帶電量， !" 是電子質量。力矩為角動量隨時間的變化量，可以得到運動方程式 = = −γ R =q. 2.25. 磁偶極矩在外加磁場下以外加磁場為軸心做等速率圓周運動，此運動稱為進動(precession)，鐵磁共振的原理可以利用進動的模型來解釋，我們以鐵磁性物質內總磁化量來取代，因此可以得到新的運動方程式 = = −γ =q. 2.26. R. 而這就是熟悉的朗道-利佛席茲方程式(Landau-Lifshitz equation)，在考慮到鐵磁共振的過程中會有能量的損耗因此加入了一個修正項得到 = = −γ =q. R. +. s. @. R. t tq. 2.27. 此運動方程式是朗道-利佛席茲-吉爾伯特方程式(Landau-Lifshitz- Glibert equation)[14]其中s > 0是吉爾伯特阻尼常數(Glibert damping constant)。在實驗中提供微波當作訊號源，當微波頻率和進動頻率相同時就會發生吸收。. 14.

(24) 圖 2.6.1 鐵磁共振角度相關示意圖. 利用圖 2.6.1 來幫助分析鐵磁共振，其中 H 為外加的磁場、M 為磁化強度。磁化強度單位體積內的自由能量(free energy)可以利用賽曼能量、去磁能 (demagnetization energy)以及垂直異向能(perpendicular anisotropy energy)來表示[15] .=−. @. BHIJKv HIJK; cdH ∅v −∅; + cdH Kv − K; D + 2w. < < @ cdH K;. − Ax cdH < K;. 2.28. 其中Ax 是垂直磁場異向性常數(perpendicular magnetic anisotropy constans)，利用一般的形式來分析在發生鐵磁共振的磁場 z < y { n 其中z. .|} |} .∅} ∅} − @ HIJK;. .|<}∅} <. <. t< . t< . t <~ { R < −y < tKt∅ t K t ∅ < @ HIJK;. 2.29. 2w•而為微波頻率。藉由方程式 2.15 的數值解可以來決定鐵磁. 共振的K; sin 2K;. ‚. 2 4w. ƒ. "„„. … HIJ K; − Kv 15. 2.30.

(25) ∅; = ∅v，而4π. "„„ 為有效去磁場(effective. 為. 4w. "„„. = 4w. −. @. 2Ax. 藉由能量方程式 2.13 到 2.14 可以得到. 其中. `、 <為. z < y { = n. `. ×. demagnetization field)可以表示. 2.31. @. 2.32. <. `. =. ,"+ cdH. Kv − K; − 4w. "„„ cdH2θ;. 2.33. <. =. ,"+ cdH. Kv − K; − 4w. "„„ cds. 2.34. <. K;. ‰ 由鐵磁共振量測的頻譜結果當中的半高寬∆Hgg (full width at half maximum,. FWHM)[16] ，而在最一般的情況下可以將半高寬與自由能量之間關係表示. 為 ‰ ∆Hgg. z Ž` Œ • = .∅} ∅} α n y.|} |} + {‹ ‹ = HIJ< K; = ,"+ √3 @. 從方程式 2.17 到 2.20 可以把∆ ∆. ‰ gg. =. 1. √3. s. `. 2.35. ‰ gg 表示成. +. <. z Ž` =Œ • n ‹ ‹ = ,"+. 2.36. 另外，如果薄膜樣品不均勻所造成的影響不可忽略的話，半高寬也會受到樣品薄膜不均勻的影響，因此由於不均勻所造成的半高寬變化定為 ∆. •6•060. •6•060. ，而∆ gg 是由於 gg. ,"+ 分布所造成的，考慮其中有效磁化強. 16.

(26) 度以及，形狀的不均勻導致的去磁場影響可以將∆ ∆ 其中∆. =∆. ‘’;“”” ,"+. +∆. ∆|• ,"+. [17]. 2.37. ‘’;“”” 為有效磁化強度所造成的影響 ,"+. ∆ 而∆. ,"+. ,"+ 表示成. ‘’;“”” ,"+. =–. = ,"+ – ∆4w =4w "„„. "„„. 2.38. ∆|• ,"+ 是由於樣品幾何形狀並不均勻的去磁場影響. ∆. ∆|• ,"+. =—. = ,"+ — ∆Kv =Kv. 從文獻中得知由於薄膜不均勻所造成的∆. 2.39 •6•060. 與∆ ,"+ 是相等[18]的因此 gg. 全部的半高寬可以表示成[19] ∆. gg. =∆. ‰ gg. +∆. 17. •6•060. gg. 2.40.

(27) 第三章實驗儀器與方法 3.1 實驗儀器本章節將介紹實驗中會用到的各實驗種儀器以及樣品的實驗製成以及樣品磁性特性量測方法。. 3.1.1 濺鍍系統在真空的環境中充入惰性氣體(常用Ar)，在兩電極板間加電壓，產生輝光放電(glow discharge)使兩極間的Ar原子形成Ar š 離子與eŽ 電子的電漿態，Ar š 離子受到陰極之負電位吸引而加速撞擊靶材，將靶材上原子撞出並沉積在基板上形成薄膜此物理現象即稱為濺鍍。為了在樣品上製造實驗所需薄膜，我們使用了濺鍍系統(sputtering)，它是由兩個腔體、膜厚計、直流式電源供應器、交流式電源供應器、阻抗匹配箱、氣體流量控制器、乾式渦輪幫浦、機械式幫浦以及四支濺鍍槍所組成。多支濺鍍槍的好處是可以在不用破真空的狀態下即可濺鍍多層膜以及同時濺鍍不同的材料，為了因應不同材料的特性，所以需要磁控濺鍍(Magnetron Sputtering)及射頻濺鍍(Radio Frequency Sputtering)兩種，如圖 3.1.1 所示。 (1) 磁控濺鍍一般直流式濺鍍因為離子生成效率不易提高，以及從靶材濺射出的原子散亂，所以到達基板的原子比例會減少，導致鍍膜速率緩慢因此為了使放電集中提高鍍膜速率，所以在靶材背面加裝強力磁鐵，Ar š 離子在勞倫茲力(Lorentz force)的作用下會從直線運動變成螺旋式運動，因為移動距離增加所以Ar š 離子與靶材之間的碰撞機率會提高，因此鍍膜效率會上升。而Ar š 離子的解離率可由兩極所外加電壓大小來控制，所以藉由改變外加的電壓可以來調整實驗時所需的不同濺鍍速率。 18.

(28) (2)射頻濺鍍一般濺鍍現象都是在兩極板之間提供直流電壓，不過當利用直流式濺鍍來濺鍍絕緣材料時，撞擊陰極把材的Ar š 正離子所帶的電荷會停留在靶材上面，使得接下來的Ar š 正離子受到庫倫作用力而無法靠近。所以外加電壓改提供高頻率的交流電壓，因為eŽ 電子質量比較輕跑得比Ar š 正離子快，當Ar š 正離子射向靶材時eŽ 電子已經中和掉上次撞擊所殘留的電荷，而由於電壓方向變化相當快，因此Ar š 正離子會一直停留在電漿區，所以可降低靶材電荷累積的現象，使得濺鍍可以持續進行。. 圖 3.1.1 濺鍍系統裝置圖. 3.1.2 磁光柯爾量測儀為了得到樣品的磁性特性我們使用縱向磁光柯爾量測儀來量測，它是由的電磁鐵、直流式電源供應器、自製電流變向器、氦氖雷射、光偏振片、 19.

(29) 電腦自動控制以及光檢測器所組成。利用電磁鐵以及直流式電源供應器來提供外加磁場，接著以波長632.8J!最大輸出功率，較高說肌膚深度（skin depth）的氦氖雷射，透過消光比約為1 R 10Žœ 的 Glan Thompson 偏振鏡來調整入射光的偏振態，來決定入射光入為 s-state 或是 p-state，入射光經由樣品反射後接著以第二個裝在光檢測器上偏振鏡來辨別線偏振光旋轉的角度，最後以數位電表經由 BNC 轉接線量測訊號變化，如圖 3.1.2 所示。. 圖 3.1.2 磁光柯爾量測儀. 3.1.3 鐵磁共振頻譜儀為了量測朗道-利佛席茲-吉爾伯特方程式裡的晶格異向係數、阻尼係數等參數，利用可變向鐵磁共振儀來量測，它是由電磁鐵、步進馬達、冰水機、高斯計、直流式電源供應器、向量網路分析儀、電腦自動控制以及微波共振腔所組成，利用 Walker Scientific 磁場最大可達高可達2( H•ž的 7 英寸電磁鐵以及直流式電源供應器來提供外加磁場，接著 Bruker X-Band ER 4104zOR 光學傳輸震盪器可提供10 20. Ÿ到20. Ÿ的微波訊號到共振腔.

(30) 然後藉由 Agilent Technologies N5230C VNA 微波向量網路分析儀來分析從共振腔反射回來的微波頻譜，由於這部鐵磁共振頻譜儀使用了高 Q 係數 (Q-factor, 9600)的共振腔及最新一代的向量網路共振頻譜儀，故無須使用磁場調變鎖相(field modulation lock-in)技術來加強訊雜比(signal to noise ratio, SNR)，透過步進馬達來旋轉樣品可以改變樣品與磁場的夾角，如圖 3.1.3 所示。[20]. 圖 3.1.3 鐵磁共振量測儀. 3.2 實驗流程實驗流程 3.2.1 樣品製作 (1) 清洗將四吋的二氧化矽樣品利用鑽石刀，將樣品裁切成邊長7!! R 7!! 的正方形，接著放置在丙酮(Acetone)溶液中並用超音波震盪3分鐘去除油污灰塵後放置在異丙醇(Isopropyl Alcohol，IPA)溶液中並用超音波震盪3分 21.

(31) 鐘用以清洗殘留丙酮，接著放置在去離子水中並以超音波震盪3分鐘清除異丙醇，最後使用氮氣槍吹乾樣品，並保持樣品清潔。 (2)濺鍍將清理過後的樣品放置樣品載台上，接著放置在濺鍍系統的樣品腔體中，然後關閉閥門打開粗抽幫浦等到壓力到達1.0 R 10Ž< qd??後打開乾式渦. 輪幫浦直到壓力達到1.0 R 10Ž> qd??以下後打開主腔體閥門，並將樣品推入主腔體中，放置完畢後關閉閥門，等待壓力抽到2.5 R 10Žœ qd??接著打開流量控制器並通入氦氣直到壓力達到2.1 R 10Žœ qd??，直到壓力穩定後打開直. 流式電源供應器(DC power supply)，接著利用 Sycon Instrument STM-100 膜厚計觀察並紀錄濺渡速率，接著關閉直流式電源供應器並打開交流式電源供應器(RF power supply)觀察並紀錄濺渡速率，最後兩個一起打開並預先濺鍍五分鐘後再開始進行濺鍍，為了控制樣品成分的組成，藉由改變直流式電源供應器的功率大小來改變銅所占的百分比，下表 1、2 為 30nm 薄膜的濺鍍速率表。. CoFeB(%). 功率(W) 功率. DC-BIAS (V). 鍍率 (Å/s). 100. 100. 387. 0.1088. 86. 100. 390. 0.1080. 76. 100. 385. 0.0970. 65. 100. 387. 0.0969. 50. 100. 384. 0.108. 表格 1 CoFeB 濺鍍速率表. 22.

(32) Cu(%). 功率(w) 功率. 電壓 (V). 電流 (A). 鍍率 (Å/s). 14. 1. 200. 0.005. 0.0159. 24. 2. 234. 0.012. 0.031. 35. 5. 250. 0.024. 0.053. 50. 10. 262. 0.040. 0.110. 表格 2 Cu 濺鍍速率表. (3) 量測將濺鍍完畢樣品，取出後分別利用可變向鐵磁共振儀以及柯爾磁光量測儀量測磁性特性。 (I) i.. 磁光柯爾量測步驟校準首先利用非偏振光經過非金屬的表面反射後，反射光會被百分百線偏. 振或是部分線偏振光，且偏振的方向是垂直入射面，平行反射面的現象。我們拿者偏振鏡對著櫥窗看一個高度跟我們眼睛一樣高物品，透過櫥窗反射的影像，然後旋轉偏振鏡的角度，當櫥窗上的物品影像最清楚的時候，穿透偏振鏡的光屬於 s-state，將偏振鏡的入射光調整為 s-state 後接著調整電磁鐵，確保電磁鐵水平放置後再將把校正片（50J!厚的_¡ ¢. <. 薄膜）. 以雙面膠貼在可旋轉的載台上接著調整校正片位置，使校正片位在兩個電磁鐵的正中心確保磁場均勻，然後把實驗中會用到的儀器主電源打開，並開始調整光路。首先把雷射光源水平放置接著把光路都控制在各個光學原件的正中心並且平行於光學桌面。將入射角調整約為60度角，接著由入射光點以及經過校正片反射後的光點高度可以來決定入射面是否平行於磁場。接著根據數位電表的電壓訊號來調整光感測器上的偏振鏡的角度，電壓訊號下降到最小值後，再逆時針微調接著開始量測。依磁滯曲線的訊號大小，對第一個偏振鏡再做微調，重複幾次後找出磁滯曲線訊號雜訊比的 23.

(33) 最佳值，即校正完成。 ii.. 量測首先將校正片拿下並以雙面膠將待測樣品貼上載台，接著等待光檢測. 器上的數值穩定後，旋轉光檢測器上的偏振鏡直到電表所顯示的數值為最小，接著在逆時針旋轉偏振鏡約0.5度，電表讀值變化大約是10! d•q，然後打開電腦在 CVI 所寫的自動控制頁面如圖 3.2.1 所示，設定要量測的外加磁場大小、及解析度高低以及平均次數後，接著按下 Start 按鈕即可開始進行量測，本實驗中量測次數皆是平均一次解析度0.1Oe。待樣品量測完成後按下 Save 按鈕儲存數據後，接著改變樣品載台的角度來旋轉樣品角度接著再次進行量測，如圖 3.2.2 所示。. 圖 3.2.1 MOKE 電腦程式操作介面. 24.

(34) 圖 3.2.2 MOKE 樣品載台旋轉示意圖. (II) i.. 鐵磁共振儀量測步驟校準首先將校正片校正片（50J!厚的_I¡ ¢. <. 薄膜）以雙面膠貼在鐵氟龍. 製的樣品載台中央如圖 3.2.3 所示，然後放入共振腔當中利用觀察孔洞來確保樣品位於共振腔中央，接著注意樣品載台與共振腔沒有接觸，以必免當步進馬達旋轉樣品載台時載台與共振腔卡住無法旋轉，接著調整共振腔位子使共振腔位在電磁鐵的正中央來確保磁場均勻，接著把實驗中會用到的儀器電源打開，然後調整共振腔後背旋鈕來調整 Q 值，使 Q 值約在9500 左右不可過高也不能太低，Q 值太高會造成所得訊號失，真太低則是量測不到訊號。. 25.

(35) 圖 3.2.3 FMR 樣品載台. Q 值調整好後打開電腦在 CVI 所寫的自動控制頁面如圖 3.2.4 所示，然後設定偵測的頻率在9.5. Ÿ到9.6. Ÿ之間，接著按下 Acquire 按鈕即可開. 始進行測試，測試結果為單一峰值的曲線，即校正完成。. 圖 3.2.4 FMR 電腦程式操作介面. 26.

(36) i.. 量測. 當樣品校準完成後把校正片拿下換上量測樣品，設定偵測的頻率在9.5 到9.6. Ÿ. Ÿ之間，接著設定要量測的外加磁場大小、解析度1¤ 、延遲時間. 0.2H以及量測角度後，接著按下 Acquire 按鈕即可開始進行量測，待樣品. 量測完成後按下 Save 按鈕儲存數據後，接著旋轉樣品載台的角度來改變樣品與磁場夾角如圖 3.2.5，當角度改變後須等約一分鐘直到訊號穩定之後旋轉共振腔後面的旋鈕來調整 Q 值大小，盡量使 Q 值大小約坐落在9500左右，這會有較佳的訊號雜訊比接著方可再次進行量測。. 圖 3.2.5 FMR 樣品載台旋轉示意圖. 27.

(37) 第四章實驗結果與分析 4.1 磁光柯爾效應量測結果由縱向磁光柯爾效應，量測儀來量測(Co40Fe40B20)1-xCux 薄膜的磁性特性，分別對7!! R 7!!的20J!以及30J!厚不同成分薄膜，進行不同角度的量測，其中0°、45°以及 90°量測結果如下圖 4.1.1 到圖 4.1.9 所示。在 20J! (Co40Fe40B20)63Cu37 及 30J! (Co40Fe40B20)50Cu50 ，可以看到 Co40Fe40B20 薄膜在參雜金屬 Cu 後，樣品在各個方向各項同性，磁滯曲線在不同方向的量測沒有發生變化，另外量測20J!厚(Co40Fe40B20)50Cu50，看不到磁滯曲線，這有可能是樣品的居禮溫度在室溫之下，因此在室溫下量測不到磁滯曲線。. 圖 4.1.1 20nmCo40Fe40B20 磁光柯爾效應量測結果. 28.

(38) 圖 4.1.2 20nm(Co40Fe40B20)85Cu15 磁光柯爾效應量測結果. 圖 4.1.3 20nm(Co40Fe40B20)75Cu25 磁光柯爾效應量測結果. 29.

(39) 圖 4.1.4 20nm(Co40Fe40B20)63Cu37 磁光柯爾效應量測結果. 圖 4.1.5 30nmCo40Fe40B20 磁光柯爾效應量測結果. 30.



(42) 4.2 異向性從柯爾磁光效應的量測結果中，分別比較在不同角度量測結果如圖 4.2.1 到 4.2.6，從量測結果中可以清楚看到，樣品的訊號比(signal to noise ratio)100 以上，因此排除了在量測 20J! (Co40Fe40B20)63Cu37 及 30J!(Co40Fe40B20)50Cu50，因為實驗儀器解析不夠，所以量測不到磁滯曲線. 面積。比較結果20J!(Co40Fe40B20)63Cu37 及30J!(Co40Fe40B20)50Cu50 樣品，在角度 0 度以及 45 度時及 90 度各向同性。. 圖 4.2.1 20nm 樣品角度 0 度磁光柯爾效應量測結果. 33.

(43) 圖 4.2.2 30nm 樣品角度 0 度磁光柯爾效應量測結果. 圖 4.2.3 20nm 樣品角度 45 度磁光柯爾效應量測結果. 34.

(44) 圖 4.2.4 30nm 樣品角度 45 度磁光柯爾效應量測結果. 圖 4.2.5 20nm 樣品角度 90 度磁光柯爾效應量測結果. 35.

(45) 圖 4.2.6 20nm 樣品角度 90 度磁光柯爾效應量測結果. 4.3 原子力顯微鏡量測結果藉由原子力顯微鏡(Atomic force microscopy, AFM)來觀察樣品表面樣貌，20nm 樣品 Co40Fe40B20 及(Co40Fe40B20)63Cu37 量測 1µmx1um 的結果如圖 4.2.7、 4.2.8，可以清楚的看到在摻雜金屬 Cu 後，樣品表面從長條柱狀分布變成均勻的顆粒狀分布，這可以清楚的解釋，在樣品20J!厚 Co40Fe40B20 的磁滯曲線量測. 中，柱狀分布造成磁滯曲線隨角度變化的異向性關係，而在20J! 厚 (Co40Fe40B20)63Cu37 的磁滯曲線量測中，由於均勻的顆粒狀分布，所以在不. 同角度的磁滯曲線量測結果並中沒有變化，因此各向同性。. 36.

(46) 圖 4.3.1 20nmCo40Fe40B20AFM 1µmx1um 量測結果. 圖 4.3.2 20nm(Co40Fe40B20)63Cu37AFM 1µmx1um 量測結果. 37.

(47) 4.4 矯頑力與薄膜厚度與成份的關係我們藉由分析平行磁場方向的磁滯曲線來求出其矯頑力，利用磁滯曲線左右兩邊飽和磁場來求出磁滯曲線的上限以及下限，接著兩者相加取平均，即可找出磁滯曲線的中心高度，然後利用磁滯曲線左右的磁場反轉區間內的實驗數據線性擬和出兩直線方程式並把感應磁場為零也就是磁滯曲線中心高度的數值帶入，最後再把兩者取平均即可得到樣品薄膜的矯頑力，結果如下圖 4.3.1 所示。. 圖 4.4.1 Co40Fe40B20Cu 薄膜與矯頑力關係圖. 為了比較樣品薄膜在不同成分以及不同厚度對矯頑力的影響，首先從圖 4.3.1 中結果可以看在到在相同成分的樣品薄膜中可以看出，厚度較高的樣品由於 Co40Fe40B20 的含量較多所以矯頑力會大於樣品厚度較低的，這與圖 4.3.2 參考資料中的 Co40Fe40B20 單層薄膜經退火處理[6]矯頑力變化會隨後度減少而下降，不過本樣品量測到的矯頑力比文獻中還來的大，推測 38.

(48) 是文獻中樣品經過退火處理後改善了樣品缺陷使得磁域在外加磁場感變而翻轉時較為順利因此矯頑力會下降。. 圖 4.4.2 參考資料 Co40Fe40B20 薄膜經退火處理矯頑力關係圖. 接著再來看當樣品不同成分對矯頑力的影響，我們從圖 4.3.1 中結果可以看到矯頑力會隨著膜中的 Co40Fe40B20 所占百分比下降而下降，其中有能是因為 Co40Fe40B20 含量多寡或者是薄膜在不同成分中由於 Co40Fe40B20 合金中參雜 Cu 金屬導致鐵磁性金屬與鐵磁性金屬的間距增加，因此彼此間的作用力會下降導致交換能減少，藉由在30J!薄膜中的 Co40Fe40B20 所占百分比86%以及76%的薄膜中其 Co40Fe40B20 含量雖然比20J!薄膜中的 Co40Fe40B20 含量還要來的高，可是其矯頑力卻來的較小，我們可以知道交換能對矯頑力的大小影響比 Co40Fe40B20 含量多寡影響還要來的大。. 39.

(49) 4.5 鐵磁共振效應量測結果藉由鐵磁共振頻譜量測儀來量測 Co40Fe40B20Cu 薄膜的磁性特性，我們分別對7!! R 7!!的20J!以及30J!厚不同成分薄膜進行不同角度的量測，樣品與磁場的夾角度從0°到 90°之間變化其量測結果如下圖 4.4.1 到圖 4.4.7。從量測結果中可以看到發生鐵磁共振吸收的磁場會隨著角度增加而. 減少這代表 Co40Fe40B20Cu 薄膜的磁化方向是平行於樣品表面，另外在量測 20J! (Co40Fe40B20)63Cu37 以及30J! (Co40Fe40B20)50Cu50 的樣品時，由於鐵磁性物質在薄膜中分布過於稀疏，因此各個磁矩的進動方向較不一致，所以訊號微弱，再加上鐵磁共振平譜儀的靈敏度不夠，因此沒有量測到鐵磁共振吸收的訊號。. 圖 4.5.1 20nmCo40Fe40B20 鐵磁共振量測結果. 40.

(50) 圖 4.5.2 20nm(Co40Fe40B20)85Cu15 鐵磁共振量測結果. 圖 4.5.3 20nm(Co40Fe40B20)75Cu25 鐵磁共振量測結果. 41.

(51) 圖 4.5.4 30nmCo40Fe40B20 鐵磁共振量測結果. 圖 4.5.5 30nm(Co40Fe40B20)86Cu14 鐵磁共振量測結果. 42.

(52) 圖 4.5.6 30nm(Co40Fe40B20)74Cu26 鐵磁共振量測結果. 圖 4.5.7 30nm(Co40Fe40B20)65Cu35 鐵磁共振量測結果. 43.

(53) 4.6 角度與鐵磁共振磁場關係角度與鐵磁共振磁場關係藉由隨角度變化的鐵磁共振頻譜來分析其異向性係數，分別將鐵磁共振的磁場對角度的變化利用方程式(2.28)到(2.29)分別把發生鐵磁共振的磁場以及其角度代入其中如圖 4.5.1 到 4.5.2，接著再藉由文獻[6]中的飽和磁化量來求出異向性係數Ax，數據擬結果如表 3、4。由數據擬和後比較異向性係數與樣品成分關係可以看到 Co40Fe40B20 合金在參雜金屬 Cu 之後，其異向性係數會隨著金屬 Cu 的成分比例升高而下降如圖 4.5.3，這意味著由於參雜金屬 Cu 的關係改善了 Co40Fe40B20 合金非晶形的結構，使異向性減少。. 圖 4.6.1 20nm 薄膜鐵磁共振吸收磁場與角度關係圖. 44.

(54) 圖 4.6.2 30nm 薄膜鐵磁共振吸收磁場與角度關係圖. 圖 4.6.3 Co40Fe40B20Cu 薄膜鐵磁共振吸收磁場與角度關係圖. 45.

(55) 4.7 角度與鐵磁共振頻譜共振磁場角度與鐵磁共振頻譜共振磁場半高寬關係共振磁場半高寬關係藉由隨角度變化的鐵磁共振頻譜來分析其吉爾伯特阻尼係數，分別將鐵磁共振的吸收磁場的半高寬對角度的變化利用方程式(2.35)到(2.40)分別把發生鐵磁共振磁場的半高寬以及其角度代入其中，如圖 4.6.1 到 4.6.2，接著再數據擬和來求出吉爾伯特阻尼係數α。擬和結果如表 3、4。從擬和結果比較吉爾伯特阻尼係數與成分關係如圖 4.6.3，可以看到吉爾伯特阻尼係數α會隨著 Co40Fe40B20 合金的增加而減少這與參考文獻中[21] 的結果一致。. 圖 4.7.1 20nm 薄膜鐵磁共振吸收磁場半高寬與角度關係. 46.

(56) 圖 4.7.2 30nm 薄膜鐵磁共振吸收磁場半高寬與角度關係. 圖 4.7.3 Co40Fe40B20Cu 薄膜鐵磁共振吸收磁場半高寬與角度關係. 47.

(57) CoFeB. α. 4πMeff(Tesla). Ku(J/m3). M(Tesla). 100%. 0.0853. 0.354. 7.27. 1.09. 85%. 0.0485. 0.199. 5.35. 0.93. 75%. 0.1564. 0.300. 4.12. 0.82. 表格 3 20nm 薄膜實驗擬和結果. CoFeB. α. 4πMeff(Tesla). Ku(J/m3). M(Tesla). 100%. 0.0517. 0.370. 7.330. 1.10. 86%. 0.0625. 0.386. 5.778. 0.97. 76%. 0.1050. 0.386. 4.493. 0.86. 65%. 0.1873. 0.194. 3.337. 0.74. 表格 4 30nm 薄膜實驗擬和結果. 48.

(58) 第五章結論 1.. 從縱向磁光柯爾效應的量測結果中，可以清楚的看到樣品的磁滯曲線在磁易極化軸及磁難極化軸不同方向的變化。. 2.. 從縱向磁光柯爾效應量測的結果，CoFeBCu 薄膜的矯頑力在參雜金屬銅 Cu 後，減少了樣品缺陷，因此矯頑力隨金屬 Cu 的成分百分比的增加從0.052¤ 下降至約0¤ 。. 3.. 量測20J! (Co40Fe40B20)63Cu37 及30J! (Co40Fe40B20)50Cu50，參雜金屬 Cu 成分較多，使樣品各向同性。. 4.. 量測20J!(Co40Fe40B20)50Cu50，由於 Co40Fe40B20 含量較低，使樣品薄膜的居禮溫度低於室溫，因此量測不到磁光柯爾效應訊號。. 5.. 從磁光柯爾效應及鐵磁共振頻譜量測結果較可知，CoFeBCu 合金薄膜的磁化方向是水平磁化。. 6.. 量測20J!(Co40Fe40B20)63Cu37 及30J!(Co40Fe40B20)50Cu50，由於鐵磁共振頻譜儀靈敏度不夠因此量測不到訊號。. 7.. 從鐵磁共振頻譜量測的結果，CoFeBCu 薄膜的異向性係數Ax 會隨著金屬 Cu 成分百分比的的增加從 7.33 (J/m3)下降至 3.33(J/m3)。. 8.. 從鐵磁共振量測的結果可知，CoFeBCu 合金薄膜的吉爾伯特阻尼係數 s會隨金屬 Co40Fe40B20 成分的增加從 0.18 下降至 0.05。. 49.

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