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研究生: 曾鈺潔
Yu-Chieh Tseng
論文名稱: 以鉛為介面活性劑電鍍製備Ni/Cu(111)薄膜研究
Electrodeposition of Ni/Cu(111) films with Pb as surfactant
指導教授: 蔡志申
Tsay, Jyh-Shen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 131
中文關鍵詞: 介面活性劑銅(111)循環伏安法掃描穿隧式顯微鏡磁光柯爾效應儀鎳銅合金自旋重新排列轉變
英文關鍵詞: surfactant, Ni, Cu(111), cyclic voltammetry, scanning tunneling microscope, magneto-optic Kerr effect, CuNi alloy, spin reorientation transition
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:153下載:10
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  • 本實驗主要以鉛作為介面活性劑,藉以改變鎳在銅(111)上的成長模式以及薄膜磁特性。實驗中以電化學方式電鍍薄膜,以銅(111)為工作電極、銀/氯化銀為參考電極、白金為相對電極,實驗都在室溫下進行。將銅(111)置於 1 mM HCl + 1 mM NiCl2 水溶液中,利用循環伏安法(CV) step by step 的掃描方式,可以找出鎳成對的吸附、剝離峰電位分別為 E = -950 mV(←)和E = -480 mV(→),藉由控制循環伏安法停留在鎳的吸附電位並改變停留時間,以在銅(111)上鍍上不同厚度的鎳。在滴加少量氯化鉛溶液後,因為鉛的沉積電位在鎳之前,故可以優先沉積在銅(111)上,並與隨後沉積的鎳交換位置,藉由介面活性劑的特性以達到改善鎳成長模式的機制。在電鍍薄膜後,透過掃描穿隧式顯微鏡(STM)觀察鎳鍍在銅上的形貌大致可區分為兩類,第一類是三維島狀成長,可能是鎳銅合金的形貌;第二類是成塊堆疊的形貌,經掃描剝除電位後,仍可看到底層較難剝除的特殊結構,此亦和鎳銅合金有關。配合循環伏安法中需要多次掃描鎳的剝除電位區段才能將鎳的訊號退除,和磁光柯爾效應儀(MOKE)中磁滯訊號變化不同的現象,證實有鎳銅合金的產生。而從磁光柯爾效應儀掃描出的磁滯曲線隨層數的變化中,可觀察到不論有無加鉛,鎳在銅上的沉積皆有磁性易軸由平行膜面轉變到垂直膜面,再回到平行膜面的方向—即自旋重新排列轉變(SRT)的現象發生。最後比較有無加鉛的差異:利用掃描穿隧式顯微鏡的掃描圖計算粗糙度值,加入鉛之後的粗糙度值明顯下降,表示表面趨於平整;而從磁滯曲線中計算矯頑場與方正度,數值也比未加入鉛時高。這些證據都顯示鉛確實具有介面活性劑的功效,能有效改善鎳在銅上的成長模式,同時使該薄膜展現較佳的磁特性。

    The properties of electrodeposited Ni thin films on Cu(111) modulated using Pb surfactant are investigated by employing cyclic voltammetry (CV), electrochemical scanning tunneling microscope (EC-STM) and magneto-optic Kerr effect (MOKE). From the CV measurements of Cu(111) in 1 mM HCl + 1 mM NiCl2 solution, a cathodic current commencing at -950 mV and an anodic peak between -480 and -200 mV were observed due to the adsorption and desorption of Ni, respectively. For Ni on Cu(111), two types of the morphologies have been observed. The three-dimensional island growth was observed due to the formation of CuNi alloy. The second type is stacked like block which is formed after CV stripping for many times. The formation of CuNi alloy has been confirmed by the multiple striping off to get Ni-free surface and changing sign of the magneto-optic signals. From MOKE measurements, spin reorientation transitions are observed. After dropping a little PbCl2 solution, Pb atoms tend to firstly adsorb onto Cu(111) surface and then exchange with the subsequently deposited Ni atoms. The exchange process enhances the smoothness of the surface morphology as compared with the films grown without Pb. From MOKE measurements, the squareness of the hysteresis loops is close to unity after adding Pb atoms. These evidences suggest that Pb performs the role of a surfactant to improve the smoothness of the grown films.

    第一章 緒論01 第二章 實驗原理與工作條件03 2-1 電化學原理03 2-1-1 法拉第定律03 2-1-2 電雙荷層概述04 2-1-3 電極與電化學反應中的電荷轉移06 2-1-4 循環伏安法09 2-1-5 陰離子特異性吸附14 2-1-6 低電位沉積16 2-1-7 能斯特方程17 2-1-8 參考電極電位比較18 2-2 電化學掃描穿隧式顯微鏡原理25 2-2-1 量子穿隧效應--掃描穿隧式顯微鏡原理25 2-2-2 工作原理—定電流模式與定高模式28 2-2-3 電化學掃描穿隧式顯微鏡(EC-STM)簡介29 2-3 磁性理論與磁光柯爾效應原理31 2-3-1 磁性物質的種類31 2-3-2 鐵磁性物質的特性33 2-3-3 磁異向性理論34 2-3-4 磁光柯爾效應理論37 2-4 薄膜成長理論與物性介紹40 2-4-1 薄膜成長理論40 2-4-2 鎳、鉛、銅物性介紹42 2-4-3 鎳銅合金43 2-4-4 界面活性劑46 第三章 實驗介紹47 3-1 電化學設備47 3-1-1電化學電鍍槽47 3-1-2 電化學循環伏安儀器49 3-2 電化學掃描式穿隧顯微鏡(EC-STM)儀器介紹50 3-2-1 掃描頭50 3-2-2 電化學掃描穿隧式顯微鏡的機械構造51 3-2-3 電化學掃描穿隧式顯微鏡的架設環境55 3-2-4 電化學掃描穿隧式顯微鏡的調針裝置58 3-3 磁光柯爾效應(EC-MOKE)儀器介紹59 3-3-1 磁光柯爾效應器材與元件59 3-3-2 磁光柯爾效應儀器架設60 3-4 實驗步驟62 3-4-1 實驗用藥品、氣體與金屬介紹62 3-4-2 實驗前準備63 3-4-3 EC-STM實驗前處理及實驗步驟64 3-4-4 EC-MOKE實驗前處理及實驗步驟70 第四章 實驗結果與討論72 4-1 循環伏安法(CV)實驗結果與討論72 4-1-1 Cu(111) 在 1 mM HCl + 1 mM NiCl2 水溶液中的循環伏安法量測72 4-1-2 Cu(111) 在 1 mM HCl + 0.05mM PbCl2 水溶液中的循環伏安法量測75 4-1-3 Cu(111) 在 1 mM HCl + 1 mM NiCl2 + 0.05mM PbCl2(~0.2ml)水溶液中的循環伏安法量測78 4-1-4 系統鎳薄膜厚度估計79 4-2 鎳鍍在銅(111)的各項結果與討論86 4-2-1 利用EC-STM觀察鎳吸附在銅(111)上的電位86 4-2-2 利用EC-STM觀察鎳鍍在銅(111)上隨層數的變化90 4-2-3 利用EC-STM觀察鎳鍍在銅(111)上隨層數退吸附的變化95 4-2-4 利用EC-MOKE觀察鎳鍍在銅(111)上隨層數的變化103 4-2-5 鎳銅合金109 4-3 鎳鍍在含鉛界面活性劑的銅(111)上之各項結果與討論 112 4-3-1 利用EC-STM觀察比較有無鎳鍍在含鉛界面活性劑的銅(111)上112 4-3-2 利用EC-STM觀察鎳鍍在含鉛界面活性劑的銅(111)上隨層數的變化119 4-3-3 利用EC-MOKE觀察鎳鍍在含鉛界面活性劑的銅(111)上隨層數的變化123 4-4 鎳鍍在有無含鉛界面活性劑的銅(111)上之綜合比較126 第五章 結論127 第六章 參考資料129

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