物理學系
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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 抑制矽化物生成的低溫鐵薄膜之成長與磁性研究(2011) 涂文廷; Wen-Tin Tu相較於室溫成長，低溫下成長於矽基板上的鐵薄膜成功的減少了矽和鐵介面間的矽化物產生。在鐵矽介面間，5到15層低溫成長的鐵薄膜，在350K下都能夠維持穩定的狀態。同時，低溫成長的鐵薄膜其表面相當的平整，粗糙度約在0.4到0.6個奈米間。因此，低溫的鐵薄膜被用來做為一介面層，接續在室溫下繼續蒸鍍鐵薄膜。我們利用磁異相能的單一磁矩模型，來模擬矯頑場的變化，並推論和討論表面及體積異相能。Item 鐡錳鐡薄膜成長於銅三金之晶體結構與磁性(2009) 邱傑振; Ciou Jie-Jhen我們使用中能量電子繞射儀,低能量電子繞射儀,磁光科爾效應來決定Fe/Mn/fcc-like Fe/Cu3Au(001)之成長模式,晶體結構及磁性。與Fe/Mn/Cu3Au(001)來比較,在磁性上有一些有趣的發現。即使多了fcc鐡的緩衝層,在低厚度時錳的晶體結構仍然是fcc.造成在垂直於晶體表面方向矯頑磁力的增強以及磁易軸翻轉的臨界厚度偏移可歸因於fcc鐡的緩衝層具有垂直於晶體表面方向的磁異向性.Item Item 多鐵性 (Bi, Ln)FeO3之結構、磁性及介電性研究(2009) 湯詠秀; Yung-Hsiu, Tang多鐵性材料係指在某一種材料中，具有兩種以上耦合鐵的特性，其隨外在環境改變，而產生自發極化滯留現象。由於（反）鐵磁性及（反）鐵電性同時存在於一種材料中，使其材料的物理性質及機制變得相當複雜而有趣。 其中，BiFeO3更因其高於室溫的居里溫度與尼爾溫度，成為應用於日常生活中的最佳材料。 此論文中，我們利用固態反應法合成Bi1-xLnxFeO3 (Ln = La and Dy, x = 0 ~ 0.40)塊材，以及利用溶膠-凝膠法合成Bi1-xDyxFeO3 (x = 0 ~ 0.40)奈米粒子，並且對於這些化合物進行系統化的結構、磁性及介電性質研究。我們發現摻雜鑭、鏑的系列分別在x ≧ 0.15及x ≧ 0.10時，有晶體結構轉變的現象。其中，由於鑭的摻雜，結構由BiFeO3的菱形晶系轉變為近似立方晶系，而鏑的摻雜則使結構轉變為正交晶系。在室溫下，由固態反應法製成的Bi1-xDyxFeO3及Bi1-xLaxFeO3其磁化率隨著摻雜濃度增加而增大。我們認為這個現象因為摻雜鑭系元素後，BiFeO3原有的旋輪線型 (cycloidal) 自旋排列被壓制或是破壞了。另外，摻雜鏑的系列中，x = 0.10 ~ 0.30樣品的介電常數增大至68 ~ 300，我們認為這是由於在結構轉變中，結構不穩定性所造成的。 最後，溶膠-凝膠法合成的Bi1-xDyxFeO3 (x = 0 ~ 0.40) 奈米粒子具有有限的矯完磁場、交換場及細長型的磁滯曲線，我們認為這些樣品的磁性是似超順磁性。我們更發現在樣品的磁性在低溫下(10 K)大為增加，這是因為旋輪線型自旋排列在低溫下成為非簡諧排列。另一方面，我們證明利用溶膠-凝膠法可改善樣品的漏電問題。Item AES系統架設及Co/W(111)之磁性量測(2010) 莊孟勳; Meng-Hsun Chuang在本篇論文裡面可以分成兩部分。第一部份是關於師大歐傑電子掃瞄儀的架設(Auger Electron Spectroscopy，AES)，主要是介紹自製能量分析儀控制器、電子槍控制器的介紹以及在校調能譜儀的一些經過。我們根據能量分析儀以及點子槍的電位需求，利用整流模組、高壓模組以及電阻、電容自製了AES系統周邊的一些電子元件，也藉由之後的量測顯示這些控制器運作非常良好。在量測的部分，我們藉由樣品做的下緣去切電子束的方式，估計電子束的聚焦直經約為1.8mm。我們找到了在真空中AES系統的最佳量測位置為(x,y,z)=(48mm , 25mm , 178.5mm)，而且還發現樣品訊號對於距離歐傑電子掃瞄儀洞口的垂直距離相當的敏感，可以在2mm之內減少75\%的訊號強度。\\ 第二部分是初期的工作，主要是利用磁光柯爾效應(Magnetic Optical Kerr Effect，MOKE)觀察Co/W(111)在不同薄膜厚度以及溫度的狀況下薄膜的磁性。我們嘗試的厚度有2、3、5、9 Physical Monolayer(1PML恰可剛好將晶格表面完全覆蓋，對W(111)而言相當於3個ps ML。ps ML全名為pseudo monolayer，1 ps ML的原子數量相當於形成晶體最表層平面所需的原子數量)、嘗試的溫度有尚未熱退火的100K，經過5分鐘300K熱退火之後的100K、200K、300K。我們發現Co在4 PML在100K熱退火前後以及200K、300K都可同時看到垂直以及水平的磁滯曲線。不過當厚度為3 PML以下時，在100K的時候還看的到垂直和水平磁滯曲線共存，不過當溫度大於200K的時候就只能看的到水平的磁滯曲線。Item PLD製作Py(100)/Cu(100)/H-Si(100)薄膜與其磁性行為研究(2014) 趙晉鴻; Cing-Hung CHAO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。Item 利用電壓及氫化反應可逆地控制材料磁性(2018) 張博鈞; Chang, Po-Chun在我們的電壓控磁的研究中顯示了，在鐵/氧化鋅結構中，可以藉由適當的電壓促使鐵的矯頑場減小15%–20%，而且只要一移除電壓，矯頑場就會回復至原本的大小。另外，如果施加過量的電壓，則可以導致鐵/氧化鋅介面上的鐵氧化成氧化鐵、三氧化二鐵或四氧化三鐵等不同的氧化態，並且使樣品的矯頑場上升。各種氧化態的比例會取決於鐵和氧化鋅的厚度比例，且一旦氧化後是不可回復的。但就算發生了介面氧化，還是可以藉由適當的電壓來調降矯頑場的大小。 在氫化控磁的研究中，我們觀察了鈷-30%鈀-70%的合金在不同氫氣氣壓下的磁性變化。原本無法觀察到磁域的樣品，在足夠的氫氣壓力下(0.2 bar)，會在樣品磁性翻轉時觀察到磁域，同時磁致曲線也會變得方正。我們依據在不同的固定外加磁場和氫氣濃度下所畫出的磁化翻轉曲線，可以推論出最小的翻轉單位Barkhausen volume 會隨著氫氣壓力上升而變小。同時，氫氣壓力上升也會使得樣品的脫釘磁場變大，導致磁致曲線的矯頑場在0.2 bar以上的氫氣壓力會逐漸增加。 此外，我們也研究了氫氣對於多層膜磁性耦合的影響。在Pd/Fe/Pd/Fe/MgO(001) 中，也許是基板表面傾斜的緣故，第一層的鐵只有單軸磁異相性，到了第二層的鐵才出現雙軸磁異相性。當外加磁場和第一層的磁易軸的夾角接近90度時，兩個鐵磁層之間的耦合力會和外加場競爭。當外加場不夠強時，上層的鐵磁會被下層的鐵磁吸引並翻轉致同磁化方向。而且當樣品吸附氫氣後，鐵磁耦合會增強，需要更大的外加場才能打破耦合。因此當外加場在6 Oe時，氫氣的脫吸附能使上層的鐵磁在外加場和底層鐵磁之間扭轉。Item 二維材料介面導致鐵薄膜磁耦合分離現象(2018) 林宗佑; Lin, Zong-You本實驗旨在於探討鐵磁薄膜沉積在單層二硫化鉬(MoS2)與二氧化矽基板(SiO2 /Si(100))兩種不同表面上產生的矯頑場(coercivity)差異，其鐵薄膜具有不連續的磁耦合分離性質，並分析推測此現象的可能來源。 我們利用自製的化學氣相沉積系統(Chemical Vapor Deposition)合成大量二硫化鉬單層薄膜於二氧化矽基板，並以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope)、拉曼光譜儀(Raman spectrum)驗證其大多為單層的厚度結構。其後於超高真空環境(10-9 torr)蒸鍍鐵薄膜於其上，再以磁光科爾顯微鏡(magneto optical kerr mi-croscope)量測之。結果上，我們發現樣品表面的磁滯曲線(hysteresis loop)呈現非方正的鐵磁曲線，呼應我們對於鐵膜微觀表面上具有許多磁性粒子團的預測，且異質介面導致鐵薄膜在不同介面上有著相異的矯頑場，是為鐵薄膜磁耦合分離現象，此現象伴隨著鐵薄膜厚度提升而逐漸消失。