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研究生： 趙晉鴻
Cing-Hung CHAO
論文名稱： PLD製作Py(100)/Cu(100)/H-Si(100)薄膜與其磁性行為研究
Magnetic behaviors of PLD grown Py(100)/Cu(100)/H-Si(100)
指導教授： 盧志權
Lo, Chi-Kuen
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： 磁性 、鎳鐵 、脈衝雷射沉積 、鐵磁共振 、柯爾磁光
英文關鍵詞： magnetism, Permalloy, Pulsed laser deposition, FMR, MOKE
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：154  下載：1 
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    • 利用脈衝雷射沉積(Pulsed laser deposition, PLD)法在室溫下製作厚度5nm至100nm之銅與鎳鐵 (Ni80% Fe20%, Py)薄膜於H-Si(100)基板上，Cu(100)為了降低晶格失配度從33.3 %降為5.7 %，故旋轉45度使Cu[100]平形H-Si[110]進行磊晶，樣品經X光繞射實驗確定單晶Cu(100)結構生成。FCC-Py(100)因與FCC-Cu(100)間的晶格失配度為1.7%，因此Py(100)可穩定地磊晶於Cu(100)上。藉由X光ϕ-scan的量測也證實基板與薄膜間的晶向關係為Si [110]//Cu[010]//Py[010]。而[Py/Cu]10的多層膜樣品在X光繞射實驗上發現具有超晶格結構。
    在磁性量測上，由LMOKE發現樣品具有單軸磁異向性，並且易磁化軸與難磁化軸分別平行於Py[010]與Py[100]，單軸磁異向性可能是由於晶格失配度產生應變，破壞FCC-Py的四重對稱所造成。從這次的研究結果發現，樣品的矯頑場隨著Py厚度的增加從1.7Oe增加到3.0Oe。其他的磁性參數由FMR量測結果經計算得出，阻尼常數當Py厚度為10nm時，有最小值 1.25×〖10〗^(-2)，之後分別因為渦電流效應與晶格失配度導致阻尼常數隨著Py薄膜厚度的增加或減少皆為上升。

    Epitaxial Permalloy (Ni80% Fe20%, Py) and Cu film with the different thickness from 5 nm to 100 nm were prepared on H-Si (100) substrate by the method of PLD at room temperature. In order to reduce lattice mismatch from 33.3 % to 5.7 %, the Cu [100] is parallel to the H-Si[110]; that is, the Cu(100) lattice mesh is rotated 45 with respect to H-Si[100] . Hence surface construction of Cu(100)R45-H-Si(100) is formed. As revealed by XRD ϕ-scan measurement, Py lattice sits on top of Cu(100),with Si[110]//Cu[010]// Py[010]. XRD information also revealed the good quality of epitaxy of Py/Cu resulting on the Si(100)(1x1)-H .
    The in-plane uniaxial behavior of the Py (100), with the easy axis and hard axis each is parallel to Py [010] and Py [001], is measured by LMOKE. This is due to the 1.7 % lattice mismatch which induces the stress anisotropy to break the 4-fold symmetry. In this studies, the coercivity of the samples is from 1.7 Oe to 3.0 Oe with the increase of the Py thickness. In addition, the other magnetic parameters are determined by the FMR measurement. The minimum damping constant is 1.25×〖10〗^(-2), when the Py thickness is 10 nm. As the Py thickness reduce and increase, the damping constant will increase due to lattice misfit and the eddy current effect, respectively.

    第一章　緒論 1 1.1　前言 1 1.2　研究動機 2 第二章　文獻回顧 3 2.1　薄膜成長理論 3 2.1.1　成長模式 3 2.1.2　成長理論 4 2.2　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 2.3　微觀磁性 10 2.3.1　磁晶異向性 13 2.3.2　形狀異相性 14 2.3.3　應力異向性 17 2.3.4　階梯表面所引致之磁異向性 20 2.4　STONER-WOHLFARTH MODEL 23 2.5　柯爾磁光效應 24 2.6　鐵磁共振 28 2.6.1 Lamdau-Lifchitz-Gilbert equation 31 2.6.2　平衡位置與半寬高 34 第三章　實驗儀器與方法 37 3.1　基板事前處理與清洗 37 3.2　真空系統 38 3.2.1　真空的定義 38 3.2.2　抽氣系統 39 3.3　脈衝雷射沉積系統 40 3.3.1　PLD簡介 40 3.3.2　PLD優缺點 40 3.3.3　PLD的機制 42 3.3.4　儀器介紹 44 3.4　磁光柯爾量測儀 45 3.5　鐵磁共振頻譜儀 46 3.6　X-RAY DIFFRACTION 48 3.6　實驗步驟與實驗參數 50 第四章 結果與討論 54 4.1　XRD分析 54 4.2　磁性量測 62 4.2.1　MOKE分析 62 4.2.2　FMR分析 67 第五章　總結 70 第六章 未來研究工作與方向 71 參考文獻 72 圖目錄 圖2.1.1-1 薄膜成長模式示意圖 3 圖2.2.2-1 不同磁性的磁矩排列方式示意圖 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；θ為磁化方向與法線方向的夾角 11 圖2.3-2 樣品(Co/Ir)n，垂直與水平磁化間的轉變厚度tc為1.3nm 12 圖2.3.1-1 磁晶異向性示意圖 14 圖2.3.2-1 棒狀磁鐵於磁場時其磁力線分佈圖 15 圖2.3.2-2 棒狀磁鐵內部的感應磁場分布圖，其中橫軸的兩端表示為棒狀磁鐵的兩端。圖中磁極處的去磁場比較強，所以在棒狀磁鐵中心的感應磁場比在磁鐵兩端的大 15 圖2.3.2-3 Prolate spheroid 16 圖2.3.3-1 在應力作用下時，磁性材料的磁化示意圖 19 圖2.3.3-2 在應力作用下磁性材料的磁化示意圖 19 圖2.3.4-1 原子建結與磁化關係 20 圖2.3.4-2 bcc階梯薄膜的原子位置 21 圖2.3.4-3 受到應變前後的能量示意圖 22 圖2.4-1 史托勒-沃爾法斯模型 23 圖2.4-2 單一磁區磁滯曲線隨外加磁場方向變化圖 24 圖2.5-1 三種MOKE形態示意圖 27 圖2.5-2 P mode及S mode示意圖 28 圖2.6-1 鐵磁共振示意圖 28 圖2.6-2 在外加磁場下磁矩的進動 29 圖2.6-3 當考慮阻尼效應後磁矩進動的示意圖 31 圖2.6.2-1 FMR分析上所使用的座標示意圖 34 圖2.6.2-2 Hr與線寬示意圖 35 圖3.1-1 hydrogen-terminated surface 為Si基板表面發生重構而產生，此表面不容易吸附空氣分子。 37 圖3.3.3-1 PLD機制示意圖 42 圖3.3.3-2 PLD吸收過程 43 圖3.3.3-3 PLD非吸收過程 44 圖3.3.4-1 PLD高真空系統 44 圖3.3.4-2　Nd3+:YAG雷射(型號:LS-2147) 45 圖3.5-1 FMR儀器配置圖 47 圖3.5-2 FMR儀器圖 48 圖3.6-1 晶格繞射與布拉格方程式幾何示意圖 48 圖3.6-2 GIXRD幾何示意圖 49 圖3.6-3 in-plane ϕ-scans量測 50 圖3.6-1 能量衰減器 51 圖3.6-2 FMR樣品座 52 圖3.6-3 FMR儀器控制介面 53 圖4.1-1 XRD在不同激發元素所對應的波長大小，若非單一波長之X光，則量測出的繞射圖會有較多峰值出現 54 圖4.1-2 樣品Cu(50nm)/H-Si(100) XRD圖 55 圖4.1-3 樣品Py(100nm)/Cu(100nm)/H-Si(100)的XRD圖 55 圖4.1-4 XRD圖(a)Py(100nm)/Cu(100nm)/H-Si(100)(b)Py(100nm)/Cu(50nm)/H-Si(100)(c)Py(10nm)/Cu(30nm)/H-Si(100) 57 圖4.1-5 樣品Py(100nm)/Cu(100nm)/H-Si(100)的XRD ϕ-scans量測 58 圖4.1-6 晶格方向示意圖，XRD ϕ-scan 從晶向(111)方向可發現為四重對稱 58 圖4.1-7 晶格(100)方向上的俯視圖 58 圖4.1-12 Cu(111) on Py(100)/Cu(100)/H-si(100) 匹配示意圖。大圓為Si，淡色小圓為Py，深色小圓為Cu 62 圖4.2.1-1 LMOKE樣品Py(10nm)/Cu(30nm)/H-Si(100) 63 圖4.2.1-2 不同Py厚度下的LMOKE 65 圖4.2.1-3 不同Py厚度下與Hc之關係 66 圖4.2.1-4 各Py厚度對FMR Fitting之Ms結果圖 66 圖4.2.1-5 熱蒸鍍法製作Py(15nm)/Cu(30nm)/H-Si(100) 66 圖4.2.2-1 各Py厚度下的共振磁場 67 圖4.2.2-2 各Py厚度下且θ=90度的共振磁場Hr。當Py厚度小於10nm有明顯變大趨勢 68 圖4.2.2-3 各Py厚度下，隨著θ改變所對應的Hpp 68 圖4.2.2-4 各Py厚度下的阻尼常數 69 圖4.2.2-5 樣品Py(001)/MgO(001)，當改變Py厚度時所對應的阻尼常數 69 表目錄 表2.1.2-1 常見材料的表面自由能 5 表3.2.1-1 不同壓力下氣體分子的各種參數值 38 表3.2.1-2 不同真空度的分區和相對物理參數 39 表3.3.4-1 Nd3+:YAG雷射規格表 45

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