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系統識別號 U0002-2001201323152600
中文論文名稱 磁性薄膜表面與介面結構之X光反射率研究
英文論文名稱 Study of the surface/interface structure of the magnetic thin films using X-ray reflectivity
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 101
學期 1
出版年 102
研究生中文姓名 歐顓豪
研究生英文姓名 Jhuan-Hau Ou
學號 699210059
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-11
論文頁數 117頁
口試委員 指導教授-杜昭宏
委員-葉炳宏
委員-林文欽
中文關鍵字 磁性薄膜  磁場  X光反射率 
英文關鍵字 magnetic thin film  magnetic field  X-ray reflectivity 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本實驗利用X光反射率與X光繞射實驗方法來研究磁性薄膜樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)、 Pd/Fe/Si(111)以及Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)在外加磁場中,其結構的變化情形。我們發現到在磁場作用下,反射光譜圖中由於薄膜層與層之間的差異所形成的建設性干涉條紋波形訊號,其週期性與強度等皆發生隨著外加磁場強度改變而變化的現象,反映出當外加磁場大於一定值時,磁性薄膜樣品的形貌、厚度與粗糙度等物理量會產生變化。因此推測當外加磁場作用在磁性薄膜樣品上,其鐵薄膜層部分形貌有可能發生重新排列的情形。
英文摘要 Using X-ray reflectivity and diffraction, we report the responses of the magnetic films to the application of magnetic fields. Three samples of Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111), Pd/Fe/Si(111) and Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111) were prepared for this study. Under the application of magnetic fields, we observed that the periodicity and the intensity of the fringes resulting from the constructive interference between the layers can be changed as the field strength exceeding a threshold value, suggesting the morphology, including the periodicity, thickness and roughness, of the films have been changed by the applied fields. These changes are understood to be possibly caused by the re-arrangement of the Fe domains in the film by the fields.
論文目次 目錄

緒論-------------------------------------1
第一章 磁性與磁性薄膜-------------------------------------3
1-1 磁性物質介紹-------------------------------------3
1-2 磁異向性-------------------------------------9
1-3 磁性薄膜介紹-------------------------------------18
1-4 磁性薄膜應用-------------------------------------21
第二章 X光發展與基本理論-------------------------------------25
2-1 X光的發展-------------------------------------25
2-2 X光繞射條件-------------------------------------27
2-3 倒晶格空間-------------------------------------29
2-4 反射率原理-------------------------------------31
第三章 實驗設施與步驟-------------------------------------42
3-1 同步輻射光源-------------------------------------42
3-2 光束線實驗站-------------------------------------47
3-3 實驗儀器介紹-------------------------------------49
3-4 樣品介紹-------------------------------------54
3-5 實驗方法-------------------------------------57
第四章 實驗結果與分析-------------------------------------67
4-1 樣品Pd/Fe/Si(111)-------------------------------------67
4-2 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)-------------------------------------79
4-3 樣品Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)-------------------------------------91
4-4 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111) (第二塊)-------------------------------------101
4-5 分析整理-------------------------------------112
第五章 結論-------------------------------------114
參考文獻-------------------------------------116

圖目錄

圖(1-1-1) 順磁性物質不受外在因素影響下,其原子的磁矩排列方向呈現隨機排列。-------------------------------------4
圖(1-1-2) 鐵磁性物質原子磁矩排列情形。-------------------------------------6
圖(1-1-3) 鐵磁性物質磁域磁矩排列不一致的情形。-------------------------------------6
圖(1-1-4) 物質處於反鐵磁性狀態的磁矩排列情形。-------------------------------------7
圖(1-1-5) 陶鐵磁性物質磁矩排列情形。-------------------------------------8
圖(1-2-1) 物質內部的去磁場產生示意圖。-------------------------------------11
圖(1-2-2) 鐵的磁化量、線性方向磁致伸縮,以及體積磁致伸縮對外加磁場強度關係的示意圖。-------------------------------------12
圖(1-2-3) 對鎳施予擴張力(+)與壓縮力(-)得到不同磁滯曲線。-------------------------------------14
圖(1-2-4) 擴張應力與正磁致伸縮物質磁域磁化方向作用關係示意圖。-------------------------------------16
圖(1-2-5) 壓縮應力與負磁致伸縮物質磁域磁化方向作用關係示意圖。-------------------------------------17
圖(2-2-1) 布拉格繞射之示意圖。-------------------------------------27
圖(2-3-1) Ewald sphere示意圖。-------------------------------------30
圖(2-4-1) X光反射光譜模擬圖。-------------------------------------31
圖(2-4-2) 光在不同介質中行進的路徑示意圖。-------------------------------------34
圖(2-4-3) 不同物質密度的反射光譜圖。-------------------------------------38
圖(2-4-4) 不同厚度的反射光譜圖。-------------------------------------39
圖(2-4-5) 不同粗糙度的反射光譜圖。-------------------------------------40
圖(2-4-6) 不同入射光波長的反射光譜圖。-------------------------------------41
圖(3-1-1) 同步輻射光源波段範圍示意圖。-------------------------------------42
圖(3-1-2) 同步加速器發光原理示意圖。-------------------------------------43
圖(3-1-3) 同步輻射加速器整體設施示意圖。-------------------------------------44
圖(3-1-4) 增頻磁鐵發光機制示意圖。-------------------------------------44
圖(3-1-5) 聚頻磁鐵發光機制示意圖。-------------------------------------45
圖(3-1-6) 三種磁鐵產生光的輻射孔徑差異。-------------------------------------45
圖(3-1-7) 各種磁鐵產生光的亮度差異。-------------------------------------46
圖(3-2-1) NSRRC 07A光束線光學元件相對位置示意圖。-------------------------------------47
圖(3-2-2) NSRRC 07A實驗站內部擺設及八環繞射儀。-------------------------------------48
圖(3-3-1) 磁力座架設於繞射儀上以及施加In-plane方向磁場的情形。-------------------------------------50
圖(3-3-2) 手動調整兩磁鐵間距以達到實驗需求的磁場大小。-------------------------------------51
圖(3-3-3) 霍爾磁場感應器HGT-3030運作示意圖。-------------------------------------52
圖(3-3-4) 霍爾磁場感應器被放置在樣品下方作量測。-------------------------------------53
圖(3-3-5) 用電表提供電流及量測電壓再換算成磁場大小。-------------------------------------53
圖(3-4-1) (a)薄膜樣品Pd/Fe/Si(111)示意圖;(b)薄膜樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)示意圖;(c)薄膜樣品Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)示意圖。-------------------------------------54
圖(3-4-2) 超高真空系統抽真空流程。-------------------------------------55
圖(3-4-3) 蒸鍍槍工作原理。-------------------------------------56
圖(3-4-4) 鍍在矽基板上的薄膜樣品。-------------------------------------56
圖(3-5-1) (a) χ=90°且針尖高於準線;(b) χ=270°針尖低於準線。-------------------------------------57
圖(3-5-2) (a)針尖左右偏離準線;(b)針尖完全對準十字準線中心。-------------------------------------58
圖(3-5-3) 鋅衰減片的吸收光譜圖,於K-edge做能量校正。-------------------------------------59
圖(3-5-4) 藉由感光紙顯影可以知道光點聚焦情形以及光路徑。-------------------------------------60
圖(3-5-5) (a)磁鐵位置尚未校準;(b)磁鐵位置對環心位置作校準。-------------------------------------61
圖(3-5-6) 對樣品施加In-plane方向磁場。-------------------------------------64
圖(3-5-7) 磁場大小與磁鐵間距的關係。-------------------------------------64
圖(3-5-8) 實驗擬合分析模型示意圖。-------------------------------------66
圖(4-1-1) 樣品Pd/Fe/Si(111)的MOKE磁性量測結果磁滯曲線圖。-------------------------------------67
圖(4-1-2) 樣品Pd/Fe/Si(111)在不同外加磁場下量測的反射光譜圖。-------------------------------------68
圖(4-1-3) 樣品Pd/Fe/Si(111)隨外加磁場變化的反射光譜局部放大圖。-------------------------------------69
圖(4-1-4) Pd/Fe/Si(111)無外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------70
圖(4-1-5) Pd/Fe/Si(111)在560 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------71
圖(4-1-6) Pd/Fe/Si(111)在800 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------72
圖(4-1-7) Pd/Fe/Si(111)在2600 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------73
圖(4-1-8) Pd/Fe/Si(111)在5800 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------74
圖(4-1-9) Pd/Fe/Si(111)在8700 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------75
圖(4-1-10) 樣品Pd/Fe/Si(111)於零磁場與高磁場下量測的X光繞射光譜圖。-------------------------------------76
圖(4-1-11) 樣品Pd/Fe/Si(111)反射率量測分析不同外加磁場下的鐵薄膜層厚度變化趨勢。-------------------------------------77
圖(4-1-12) 樣品Pd/Fe/Si(111)反射率量測分析不同外加磁場下的鐵薄膜層粗糙度變化趨勢。-------------------------------------78
圖(4-2-1) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)的MOKE磁性量測結果磁滯曲線圖。-------------------------------------79
圖(4-2-2) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在不同外加磁場下量測的反射光譜圖。-------------------------------------80
圖(4-2-3) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)隨外加磁場變化的反射光譜局部放大圖。-------------------------------------81
圖(4-2-4) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)無外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------82
圖(4-2-5) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在700 Oe外加磁場下量測的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------83
圖(4-2-6) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在2300 Oe外加磁場下反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------84
圖(4-2-7) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在6000 Oe外加磁場下反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------85
圖(4-2-8) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在8500 Oe外加磁場下反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------86
圖(4-2-9) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在10000 Oe外加磁場下反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------87
圖(4-2-10) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)於零磁場與高磁場下量測的X光繞射光譜圖。-------------------------------------88
圖(4-2-11) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)反射率量測分析不同外加磁場下的鐵薄膜層厚度變化趨勢。-------------------------------------89
圖(4-2-12) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)反射率量測分析不同外加磁場下的鐵薄膜層粗糙度變化趨勢。-------------------------------------90
圖(4-3-1) 樣品Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)的MOKE磁性量測結果磁滯曲線圖。-------------------------------------91
圖(4-3-2) 樣品Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)在不同外加磁場下量測的反射光譜圖。-------------------------------------92
圖(4-3-3) 樣品Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)隨外加磁場變化部分的反射光譜圖。-------------------------------------93
圖(4-3-4) Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)無外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------94
圖(4-3-5) Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)在560 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------95
圖(4-3-6) Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)在2340 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------96
圖(4-3-7) Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)在8000 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------97
圖(4-3-8) 樣品Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)於零磁場與高磁場下量測的X光繞射光譜圖。-------------------------------------98
圖(4-3-9) 樣品Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)反射率量測分析不同外加磁場下的鐵薄膜層厚度變化趨勢。-------------------------------------99
圖(4-3-10) 樣品Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)反射率量測分析不同外加磁場下的鐵薄膜層粗糙度變化趨勢。-------------------------------------100
圖(4-4-1) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在不同外加磁場下量測的反射光譜圖。-------------------------------------101
圖(4-4-2) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)隨外加磁場變化的反射光譜局部放大圖。-------------------------------------102
圖(4-4-3) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)無外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------103
圖(4-4-4) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在650 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------104
圖(4-4-5) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在1000 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------105
圖(4-4-6) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在2000 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------106
圖(4-4-7) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在4000 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------107
圖(4-4-8) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在8000 Oe外加磁場下的反射光譜及擬合曲線。-------------------------------------108
圖(4-4-9) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)於零磁場與高磁場下量測的X光繞射光譜圖。-------------------------------------109
圖(4-4-10) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)反射率量測分析不同外加磁場下的鐵薄膜層厚度變化趨勢。-------------------------------------110
圖(4-4-11) 樣品Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)反射率量測分析不同外加磁場下的鐵薄膜層粗糙度變化趨勢。-------------------------------------111
圖(4-5-1) 所有磁性薄膜樣品的反射率量測分析不同外加磁場下的鐵薄膜層厚度變化趨勢。-------------------------------------112
圖(4-5-2) 所有磁性薄膜樣品的反射率量測分析結果,不同外加磁場下的鐵薄膜層粗糙度變化趨勢。-------------------------------------113

表目錄

表(4-1-1) Pd/Fe/Si(111)無外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------70
表(4-1-2) Pd/Fe/Si(111)在560 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------71
表(4-1-3) Pd/Fe/Si(111)在800 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。
-------------------------------------72
表(4-1-4) Pd/Fe/Si(111)在2600 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------73
表(4-1-5) Pd/Fe/Si(111)在5800 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------74
表(4-1-6) Pd/Fe/Si(111) 在8700 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------75
表(4-2-1) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)無外加磁場各薄膜層的物理量。-------------------------------------82
表(4-2-2) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在700 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------83
表(4-2-3) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在2300 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------84
表(4-2-4) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在6000 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------85
表(4-2-5) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在8500 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------86
表(4-2-6) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在10000 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------87
表(4-3-1) Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)無外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------94
表(4-3-2) Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)在560 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------95
表(4-3-3) Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)在2340 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------96
表(4-3-4) Pd/Fe/Pd-silicide/Si(111)在8000 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------97
表(4-4-1) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)無外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------103
表(4-4-2) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在650 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------104
表(4-4-3) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在1000 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------105
表(4-4-4) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在2000 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------106
表(4-4-5) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在4000 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------107
表(4-4-6) Pd/Fe/Fe-silicide/Si(111)在8000 Oe外加磁場下各薄膜層的物理量。-------------------------------------108
參考文獻 參考文獻

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