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研究生： 李伯威
論文名稱： 電鍍Py(100)/Cu(100)/H-Si(100)多層膜之磁性研究
指導教授： 盧志權
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 74
中文關鍵詞： 單槽電鍍 、鎳鐵 、脈衝雷射 、多層薄膜
英文關鍵詞： Electroplating, Permalloy, Pulsed laser deposition, Multilayers
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：122  下載：3 
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    • 利用單槽電鍍(Single bath electroplating)在室溫下製作單層至40層的鎳鐵(Py;Ni80%Fe20%)與銅磊晶多層薄膜，使用脈衝雷射沉積法(Pulsed laser deposition；PLD)鍍銅電極層50nm於H-Si(100)為鍍膜基板，Cu(100)是藉由旋轉45度使晶格失配度(lattice mismatch)從33.3%降為5.7%，故能磊晶的必要條件。樣品經由SEM與EDS觀察表面形貌並確定成分比例正確，再由X光繞射實驗證明Py(100)能穩定磊晶在Cu(100)上。另外X光Phi-scan量測也證實基板與薄膜的晶向關係為Si[110]//Cu[010]//Py[010] ，多層膜的X光繞射量測到隨層數增加而Py(100)與Cu(100)訊號強度增強，但沒有觀察到多層膜的X光紹熱衛星信號，這由於各層顆粒隨著週期數增加而變大造成衛星信號消失。
    在磁性量測上，經由LMOKE量測，與Py薄膜不同，(Py/Cu)n/Cu/H-Si(100)多層膜樣品顯現出強烈同向性，這量測與立方晶格結構不一致，然而此結果原因尚不清楚。Py12nm/Cu30nm系列多層膜樣品矯頑場從單層5.9Oe增加到40層之8.5Oe，另一系列樣品Py12nm/Cu3nm矯頑場亦隨層數增加，由單層9.2Oe增加到40層27.75Oe。其他磁性參數由FMR量測經計算得出阻尼常數在Py12nm/Cu30nm 系列由1.61x10-1隨層數增加至3.038x10-1 。另外Py12nm/Cu3nm多層膜系列的阻尼常數則是由1.25x10-1 至 1.29，符合表面顆粒變大而線寬增加影響阻尼常數增加。

    目錄 第一章 緒論 1 第一節 前言 1 第二節 研究動機 1 第二章　文獻回顧 3 第一節　薄膜成長理論 3 2-1.1　成長模式 3 2-1.2　成長理論 4 第二節　磁性物質 6 2-2.1　磁性來源 6 2-2.2　磁性物質的種類 7 2-2.3　鐵磁性物質的特性 9 第三節　微觀磁性 10 2-3.1　磁晶異向性 13 2-3.2　形狀異相性[46] 13 第四節　柯爾磁光效應 14 第五節　鐵磁共振 18 第六節　平衡位置與半寬高 22 第七節 電鍍 24 2-7.1電雙層原理 24 2-7.2循環伏安法 25 第三章 實驗方法與儀器 27 第一節 基板清洗 28 第二節 銅電極層的製程 28 2.1高真空直流濺鍍系統實驗流程: 28 2.2脈衝雷射沉積系統實驗流程: 30 第三節 循環伏安法 31 第四節 電鍍 32 第五節 儀器介紹 33 3.5.1 掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy; SEM)[x] 33 3.5.2能量散射光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer; EDS)[x] 33 3.5.4　磁光柯爾量測儀(Magneto-optical Kerr Effect; MOKE) 34 3.5.5　鐵磁共振頻譜儀 (Ferromagnetic resonance; FMR)[X] 35 3.5.6 X光繞射儀(X-ray diffraction; XRD) 37 第六節 實驗步驟 39 第四章 實驗結果與討論 43 第一節 NI0.5M+FE0.02M+硼酸0.4M電鍍液 43 4-1.1 CV曲線 43 4-1.2成分分析 44 第二節 NI0.5M+FE0.02M+CU0.02M+硼酸0.4M電鍍液 44 4-2.1 CV曲線 44 4-2.2成分分析 45 4-2.3 XRD分析 46 第三節 PY12NM/CU30NM多層膜系統 47 4-3.1 SEM分析 47 4-3.2 XRD分析 48 4-3.3 磁性量測 Moke分析 56 4-3.4 FMR分析 59 第四節 PY12NM/CU3NM多層膜系統 62 4-4.1 SEM分析 62 4-4.2 XRD分析 63 4-4.3 磁性量測 Moke分析 66 4-4.4 FMR分析 67 第五章　結論 71 第六章 未來研究方向 72 第七章 參考文獻 73 圖目錄 圖2-1.1-1 薄膜成長模式示意圖(a)FM mode(b)SK mode(c)VW mode…………3 圖2-2.2-1不同磁性的磁矩排列方式示意圖(a)順磁性(b)鐵磁性(c)亞鐵磁性(d)反鐵磁性………………………………………………………………………………8 圖2-2.3-1鐵磁性材料的磁區結構式意圖…………………………………………9 圖2-2.3-2 磁滯曲線示意圖………………………………………………………10 圖2-3-1 θ角示意圖………………………………………………………………11 圖2-3-2 K∙t_co對t_co………………………………………………………………12 圖2-3.1-1磁晶異向性示意圖……………………………………………………13 圖2-3.2-1棒狀磁鐵於磁場時其磁力線分佈圖…………………………………14 圖2-4-1 三種MOKE形態示意圖…………………………………………………17 圖2-4-2 P mode及S mode示意圖…………………………………………… 18 圖2-5-1 鐵磁共振示意圖……………………………………………………… 18 圖2-5-2 在外加磁場下磁矩的進動…………………………………………… 19 圖2-5-3 當考慮阻尼效應後磁矩進動的示意圖………………………………21 圖2-6-1 FMR分析上所使用的座標示意圖…………………………………… 22 圖2-6-2 Hr與線寬示意圖………………………………………………………23 圖2-7.1-1 電雙層模式………………………………………………………… 25 圖2-7.2 1 循環伏安法(a)電位-時間關係圖(b)電流-電位關係圖………… 26 圖3-2.1-1 濺鍍系統…………………………………………………………… 29 圖3-2.2 -1 能量衰減器……………………………………………………… 30 圖3-2.2 -2 脈衝雷射沉積系統……………………………………………… 31 圖3-3-1 電鍍槽裝置示意圖…………………………………………………… 32 圖3-4-1 恆電位儀外觀………………………………………………………… 33 圖3-5.3-1 MOKE………………………………………………………………… 36 圖3-5.4-1 FMR儀器配置圖…………………………………………………… 36 圖3-5.4-2 FMR儀器圖………………………………………………………… 37 圖3-5.5-1晶格繞射與布拉格方程式幾何示意圖…………………………… 37 圖3-5.5-2 GIXRD幾何示意圖………………………………………………… 38 圖3-5.5-3 in-plane ϕ-scans量測………………………………………… 39 圖3-6-1 樣品座………………………………………………………………… 42 圖3-6-2 FMR儀器控制介面…………………………………………………… 42 圖4-1.1-1 CV：Ni0.5M+Fe0.02M+硼酸0.4M電鍍液………………………… 43 圖4-1.2-1成分分析圖…………………………………………………………… 44 圖4-2.1-1 CV：Ni0.5M+Fe0.02M+Cu0.02M+硼酸0.4M電鍍液……………… 45 圖4-2.2-1成分分析圖…………………………………………………………… 45 圖4-2.3-1 PLD製成Cu基板再電鍍鎳鐵銅的XRD圖………………………… 45 圖4-2.3-2 濺鍍製成Cu基板再電鍍鎳鐵銅的XRD圖………………………… 46 圖4-3.1-1 Py12nm/Cu30nm不同層數1萬倍SEM圖…………………………… 47 圖4-3.1-1 Py12nm/Cu30nm不同層數5萬倍SEM圖…………………………… 48 圖4-3.2-1 X RD各X光在不同激發元素所對應的波長大小………………… 49 圖4-3.2-2 樣品Cu(50nm)/H-Si(100) XRD圖……………………………… 49 圖4-3.2-3 (Py12nm/Cu30nm)/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) …………………… 51 圖4-3.2-4 (Py12nm/Cu30nm)6/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) …………………… 51 圖4-3.2-5 (Py12nm/Cu30nm)11/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) ………………… 52 圖4-3.2-6 (Py12nm/Cu30nm)20/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) ………………… 52 圖4-3.2-7 (Py12nm/Cu30nm)40/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) ………………… 53 圖4-3.2-8 (Py12nm/Cu30nm) /Cu50nm(PLD)/H-Si(100)XRDϕ-scans量測 53 圖4-3.2-9 (Py12nm/Cu30nm)5 /Cu50nm(PLD)/H-Si(100)XRDϕ-scans量測 54 圖4-3.2-10(Py12nm/Cu30nm)10 /Cu50nm(PLD)/H-Si(100)XRDϕ-scans量測 54 圖4-3.2-11 晶格方向示意圖………………………………………………… 55 圖4-3.2-12 晶格(100)方向上的俯視圖，其中金色點為Cu；銀色點為Si 55 圖4-3.2-13 Cu(111) on Py(100)/Cu(100)/H-si(100) 匹配示意圖(2013 趙晉宏) ……………………………………………………………………………… 56 圖4-3.3-1 LMOKE樣品Py12nm/Cu30nm/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) ………… 57 圖4-3.3-2 各層數下(6層、11層、20層、40層)LMoke圖………………… 57 圖4-3.3-3 矯頑場(coercivity，Hc)對Py/Cu層數間的關係圖……………… 58 圖4-3.3-4 熱蒸鍍法製作Py(15nm)/Cu(30nm)/H-Si(100) ………………… 58 圖4-3.4-1 各PyCu層數下的共振磁場……………………………………… …59 圖4-3.4-2 各層數下且θ=90度的共振磁場Hr……………………………… 60 圖4-3.4-3 各Py/Cu層數下，隨著θ改變所對應的Hpp……………………… 60 圖4-3.4-4 各Py/Cu層數下的阻尼常數………………………………………… 61 圖4-4.4-5 各Py/Cu層數下顆粒大小與阻尼常數比較…………………………61 圖4-4.1-1 Py12nm/Cu3nm不同層數1萬倍SEM圖…………………………… 62 圖4-4.1-2 Py12nm/Cu3nm不同層數5萬倍SEM圖…………………………… 62 圖4-4.2-1 (Py12nm/Cu3nm)/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) ……………………… 63 圖4-4.2-3 (Py12nm/Cu3nm)5/Cu30nm(電鍍)/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) …… 64 圖4-4.2-3 (Py12nm/Cu3nm)10/ Cu30nm(電鍍)/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) … 64 圖4-4.2-3 (Py12nm/Cu3nm)20/ Cu30nm(電鍍)/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) … 65 圖4-4.2-3 (Py12nm/Cu3nm)40/ Cu30nm(電鍍)/Cu50nm(PLD)/H-Si(100) … 65 圖4-4.3-1各層數(單層、5層、10層、20層)下LMOKE圖………………… 66 圖4-4.3-2矯頑場(coercivity，Hc)對Py/Cu層數間的關係圖……………… 66 圖4-4.4-1 各Py/Cu層數下的共振磁場……………………………………… 67 圖4-4.4-2各層數下且θ=90度的共振磁場Hr………………………………… 67 圖4-4.4-3 各Py/Cu層數下，隨著θ改變所對應的Hpp……………………… 68 圖4-4.4-4 各Py/Cu層數下的阻尼常數 ……………………………………… 68 圖4-4.4-5 各Py/Cu層數下顆粒大小與阻尼常數比較…………………………69 表目錄 表1-2-1 各種鍍膜方法比較 ………………………………………………………2 表2-1.2-1 常見材料的表面自由能……………………………………………… 5 表3-2.1-1 相關濺鍍參數………………………………………………………… 29 表3-4-1 電鍍液成分表…………………………………………………………… 32

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