物理學系
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Item 稀土鐵石榴石與鈣鈦礦奈米材料之結構、磁性和應用(2023) 劉仕渝; Liu, Shi-Yu鈣鈦礦和稀土石榴(REIG)薄膜具有優異的光學和磁光特性。因此，將這兩種材料結合在一起可以創造出具有可調控光學和磁性性能的異質結構，並應用於光學通信、光學記憶和磁光元件等領域。在本研究中，我們將深入探討鈣鈦礦和REIG薄膜各自的潛在價值。近年來，一些研究表明使用稀土元素(RE)元素代替釔(Y)來調節石榴石薄膜的應變誘導磁異向性。REIG薄膜(~100 nm)藉由脈衝雷射沉積法製備於(111)取向的釔鋁石榴石(YAG)基板上。釤、钬和釔鐵石榴石(SmIG, HoIG, and YIG)具有垂直於膜面的壓縮應變，而鉺和铥鐵石榴石(ErIG and TmIG)具有弱的拉伸應變。由於負磁致伸縮常數，因此SmIG和HoIG薄膜表現出相對強的垂直磁異向性(PMA)。隨著技術的發展，對高存儲容量和快訪問速度的需求不斷增加。因此我們選擇對擁有相對強PMA的SmIG薄膜進一步研究。藉由降低SmIG薄膜厚度，可使其具有更強的壓縮應變，進而獲得更強的PMA。相比之下，YIG在30-120奈米區間仍展現水平磁異向性(IMA)。這一發現表明磁性能受Y:Sm比的顯著影響。隨後，我們製備了一系列不同厚度、Sm摻雜濃度的SmYIG薄膜。振動樣品磁力計揭露隨著厚度的遞減和Sm摻雜濃度的增加，可使SmYIG薄膜具有較強的PMA。此外，我們展示了在不同Sm摻雜濃度下，SmYIG薄膜的臨界厚度。為基於REIG薄膜的高密度磁信息存儲鋪平道路。YIG與反鐵磁材料的結合因其在自旋泵等應用中的潛力而備受關注。因此，我們於YIG薄膜上沉積氧化鈷(CoOx)薄膜以研究介面效應。由於CoOx薄膜於高溫缺氧環境下製備，所以其表面區域由純CoO組成，界面區域則為CoO和Co的混合物。CoOx/YIG薄膜不僅表現出低溫下由CoO提供的磁耦合，還表現出由鐵磁Co提供室溫負交換偏置(RT-NEB)。與CoOx/YIG薄膜相比，我們於YIG薄膜上製造了進一步氧化的CoO薄膜，並觀察到室溫正交換偏置(RT-PEB)。RT-PEB隨著外加磁化場增加而增加，並在外加磁化場為500 Oe時飽和。隨著溫度降低，PEB 逐漸轉變為 NEB。這些結果清楚地表明 CoO/YIG 雙層系統中PEB和NEB共存，而PEB歸因於CoO界面自旋的反平行耦合，而NEB歸因於AFM-FM耦合。有機-無機鈣鈦礦(MAPbBr3)/鐵磁異質結構在光控自旋電子元件中已被廣泛探討。然而使用金屬鐵磁層作為底部電極仍然是一個挑戰。因此，我們提出插入氧化鋁(AlOx)或石墨烯(Gr)層的超薄異質界面來改善均勻性。通過原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡，我們觀察到MAPbBr3層成功地形成了緻密的連續薄膜。此外，AlO¬x或Gr層的存在可以有效地防止鈣鈦礦和鐵磁金屬薄膜之間的氧化和界面擴散。然而，MAPbBr3層在環境下很容易受溫度、濕度、氧氣濃度影響而分解。因此，我們製備了全無機銫鉛溴化物鈣鈦礦量子點(CsPbBr3 QDs)來替代鐵磁層上方的 MAPbBr3，並研究了藍光雷射對磁性的影響。隨著雷射照射時間的增加，CsPbBr3 QDs的表面形貌和特徵尺寸發生了顯著變化並逐漸演變，引發了一系列氧化還原和界面擴散過程，特別是在 CsPbBr3 QDs/Co異質結構的界面處。這些結果開啟了鈣鈦礦/鐵磁異質結構在自旋電子學應用研究。Item 氫氣影響鐵鈀合金與鎂基多層膜的磁性以及結構變化(2023) 廖黎杰; Liaw, Li-Jie氫化效應對磁性材料的影響已被廣泛研究，目前已知的熱門儲氫材料中以可在室溫且低氫氣分壓儲氫的鈀(Pd)為主，其高氫敏感性適合觸發材料中的磁性變化。本篇論文以第一部分著重在鎂(Mg)基儲氫材料，其儲氫能力是自身體積4倍最受矚目，然而Mg塊材需要高溫高壓的氫氣環境才能吸收氫氣並且儲存。通過鈀覆蓋層的催化作用，氫分子的裂解在催化過程中有效發生，促進氫原子擴散到底層的純鎂。該過程已被實驗證實在室溫、1 bar的氫氣壓力下發生。Pd/鈷(Co)/Mg多層膜的磁光柯爾效應(MOKE)在真空和1 bar氫氣壓力下測量以進行比較。氫化效應不可逆地將矯頑力(Hc)從25 Oe提高到大約200 Oe。在使用原子力顯微鏡(AFM)量測表面形貌下，氫化後的樣品表面粗糙度從0.1增加到6 nm，且通過 X 射線衍射(XRD)量測在室溫環境下形成穩定的MgH2相。此外，將具有高儲氫穩定性的Mg間隔層夾在Pd/Co/Mg/Fe多層結構中，以提高其儲氫穩定性並探索該結構的磁傳輸特性。透過平面磁場四點測量，磁阻率(MR ratio)的變化從0.22±0.01%增加到0.30±0.01%，這也表明MgH2增加了自旋散射概率和熱效應的穩定性。在我們研究的第二部分，我們重點關注了Pd的獨特性，特別是其高吸氫能力和可逆氫化行為，以及氫氣脫付的遲滯現象，這使其非常適合與氫相關的應用。為了解氫化對磁性的影響，我們的目的是探索氫化對磁異向性能的改變及其與FePd薄膜晶體結構的關係。我們採用X射線磁圓二色性(XMCD)來檢測氫吸收對FePd合金薄膜中Fe磁矩的影響，透過觀察到特徵峰的顯著變化，表明磁性行為發生了變化。值得注意的是，我們發現 FePd薄膜中的磁異向性可以通過吸氫和解吸過程可逆地旋轉無需外部磁場。這使我們能夠實現無磁場開關，這是磁控制領域的一個顯著進步。此外，我們的研究證實FePd薄膜的磁異向性主要受界面應變誘導的磁異向性能與傾斜沉積誘導的表面微結構之間的競爭，且通過橫截面透射電子顯微鏡(TEM)分析和檢查不同厚度的FePd異向能證實了這一觀察結果。總結來說，我們的研究為氫化對磁性薄膜磁性的影響提供了有價值的見解。這些發現證明了MgH2形成、自旋散射和Pd/Mg基多層膜的磁性之間的相關性。 FePd合金體系中磁異向性的可逆控制是通過吸氫和解吸實現。這項研究為自旋電子元件中氫遷移和存儲的控制提供了不同的見解，為磁性元件中的磁矩切換機制引入了新的自由度。Item 磁性薄膜之表面形貌與磁性行為(2012) 何宗穎本論文主要探討磁性膜薄的表面形貌與磁性行為之間的關係。實驗架構總共可分成三部分：(1)高定向熱解石墨基板系統(2)三氧化二鋁(藍寶石基板)系統(3)矽(111)基板系統。 高定向熱解石墨基板系統中，利用氬離子轟擊基板，造成基板表面形成缺陷，藉由掃描穿隧式電子顯微鏡觀察鈷原子在平坦的高定性熱解石墨基板上的表面形貌，鈷原子成核的尺寸較表面缺陷的高定性熱解石墨基板上來的大，換句話說，鈷原子成核分佈在表面缺陷的基板上的密度較高。由歐傑電子能譜儀的分析結果可以間接顯示出基板的表面缺陷會使鈷原子成核分佈的更均勻。在磁性方面，利用平行與垂直方向的磁光科爾效應來觀察兩種不同基板的磁性行為。在平坦的基板，鈷薄膜的易軸為平行磁化方向；特別的是，在表面缺陷的基板，鈷薄膜在水平與垂直方向皆可量測到柯爾訊號。經過測試發現易軸為斜向的磁化方向，在厚度達到60ML時仍可以測得。 三氧化二鋁(0001)系統中，利用斜角鍍磁性薄膜(鐵)的方式，造成單軸的磁異向能產生，藉由掃描穿隧式電子顯微鏡觀察在鍍膜角度為0°時，表層鈀原子成核形狀具有三重對稱性；在鍍膜角度為45°與65°時，鈀表面由數奈米大小的顆粒組成。在磁性方面，鍍膜角度為0°時，各個方向角(∅)所量測到的磁滯曲線都是呈現方形的形狀；在鍍膜角度為45°與65°時，產生單軸的磁異向性，易軸方向：沿著方位角∅=0°；難軸方向：沿著方位角∅=90°。 矽(111)基板系統中，我們再一次做了斜角鍍磁性薄膜的實驗，結果與在藍寶石基板中的結果相符。透過改變不同的合金介面層材料(鐵、鎳、鈀)，可以觀察到不同的磁性行為，鐵薄膜在鐵-矽合金介面上的矯頑磁力(Hc=130 Oe)大於在鈀-矽合金介面(Hc=50 Oe)與鐵/矽(111)(Hc=50 Oe)。Item 鎳超薄膜在鉑(111)基板上之表面結構及表面磁光性質研究(2003) 蘇炯武; Chiung-Wu Su本實驗是利用歐傑電子能譜術、低能量電子繞射儀、紫外光電子能譜術以及利用表面磁光科爾效應來研究鎳金屬超薄膜在鉑金屬(111)表面上的結構及磁光性質。討論的範圍首先著重在鎳超薄膜在鉑(111)表面上的磊晶成長模式、結構相圖和合金形成。我們經由歐傑電子能譜、低能量電子繞射及紫外光電子能譜的測量中發現鎳超薄膜在鉑單晶上是以2個原子層的層狀模式成長，且在磊晶的過程中我們更利用低能量電子繞射發現鎳超薄膜在鉑(111)表面上有一些有趣且特殊的結構：偽(1×1)超結構、(√3×√3)R30º、Ni(1.1×1.1)非同調性磊晶、衛星點結構以及(2×2)超結構。鎳原子發現在高溫時會擴散與鉑形成合金，當我們在進行0.8到3.0個鎳原子層熱處理時，結果發現當鎳的厚度愈高，鎳與鉑開始形成合金的溫度也就愈高。為了提高系統鎳超薄膜的膜厚準確度，我們利用兩種理論模型來計算並決定鎳超薄膜膜厚。此外，當經過高溫回火的鎳/鉑(111)表面經由離子濺射技術後亦發現表面組成大多為鉑原子所佔據，此部分確立了鎳原子與鉑原子形成合金的事實。 第二部分我們在鎳/鉑(111)表面上覆蓋銀原子層來研究鎳鉑合金形成因其所受到之影響並與未加銀原子層來做比較。結果發現，覆蓋銀原子層的鎳薄膜層必須上升到更高溫時才與鉑原子形成合金，而且銀原子層在熱處理的過程中並不擴散進入基底且都位於表面的最上層，更有趣的是我們發現在1 ML Ag/1 ML Ni/Pt(111) (ML:原子層)的樣品中經由高溫處理後形成有趣的(2×2)表面超結構，經由晶格常數計算、以及離子濺射實驗後，我們初步推斷最上層的銀原子以1/4的覆蓋率形成(2×2)超結構之後剩餘的3/4銀原子與最上層的1/4殘餘鎳原子形成Ag(75%)Ni(25%)的合金原子層，剩餘的則為鎳鉑合金層。 第三部分我們利用表面磁光科爾效應來探測鎳超薄膜在鉑(111)表面上的磁光性質。鎳超薄膜在諸多系統中都發現具有dead layer的磁性質，故當我們在磊晶過程中探測鎳薄膜的磁光訊號中發現，將近有7層覆蓋率的鎳原子在室溫裡是沒有磁性的，累積到將近24層的鎳原子測得之最大科爾旋轉角也只有0.02º，並且在熱處理的實驗當中，我們發現膜厚與系統的居禮溫度有很大的關連性，甚至極有可能低於室溫。 此外，當磁性超薄膜鎳/鉑(111)表面間加進鈷原子層後，初步發現鎳原子會有初期升溫的過程中先與鈷原子在鉑表面上混合，高溫時再擴散進入鉑基底的特性。經由深度分析的實驗，雖然證明了鎳鈷原子都會與鉑形成合金，但是我們發現鎳原子卻擴散的比鈷原子更為深層。1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)樣品在垂直磁光效應的測量中，也同樣發現在鎳鈷原子混合時磁光訊號有微量的增加，然而之後主要的磁光訊號大增主因來自於鈷鉑形成合金所致，科爾旋轉角在高溫回火後增加為原先的兩倍之多，當我們對於1 ML Ni/1 ML Co-Pt 合金表面進一步的研究中發現，系統的居禮溫度隨著鎳鉑原子在表面的相對組成而有強烈的變化，而且接近甚至低於室溫，在表面化學組成計算後可以初步推論，若鉑原子含量在表面層愈多、鎳原子愈少的狀況下，系統的居禮溫度就愈低。結果發現，1 ML Ni/1 ML Co-Pt 合金表面樣品在經由830 K高溫回火後所測得之系統居禮溫度為275 K，此時所對應的表面化學組成為Pt(69%)Co(29%)Ni(2%)合金層。 最後，鏡射系統1 ML Co/1 ML Ni/Pt(111)的磁光訊號測量也發現許多有趣且不同於1 ML Ni/1 ML Co/Pt(111)系統的物理現象，在升溫的過程當中發現，特定的溫度範圍對於兩種系統有著截然不同的行為，我們發現在600 K到725 K的磁光訊號變化中對於Ni/Co/Pt薄膜有一極大值，然而對於Co/Ni/Pt薄膜卻發現有一極小值。此外，Co/Ni/Pt薄膜發現具有比Ni/Co/Pt薄膜更大的的矯頑磁場，我們初步認為這些有趣的物理現象來自於表面鎳鈷鉑原子的相對組成，以及許多特定穩定合金結構的形成，所以當我們又利用紫外光電子能譜來觀看這兩種磁性超薄膜系統經過高溫熱處理後時，我們可以確定表面原子態大多來自於鉑原子，換句話說，高含量的表面鉑原子是促成系統具有相當低的居禮溫度的主因。