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研究生: 莊霈于
Chuang, Pei-Yu
論文名稱: 鈷-碳非晶質薄膜之磁阻傳輸特性與電子結構探討
Magnetoresistance Property and Electronic Structure in Amorphous a-C:Co Films
指導教授: 李志浩
Lee, Chih-Hao
口試委員: 林宏基
Lin, Hong-Ji
許華書
Hsu, Hua-Shu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 106
中文關鍵詞: 正磁阻塞曼效應同步輻射
外文關鍵詞: Positive-Magnetoresistance, Zeeman effect, synchrotron radiation
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  • 非晶質碳膜(amorphous carbon, a-C),近年在自旋電子學的研究上被預期極具潛力。本論文主要針對a-C:Co薄膜的磁電傳輸性質進行系統化研究,我們發現在a-C:Co薄膜系統中具有異常正磁阻。而此類正磁阻的效應,可能與近來研究報導所顯示之新型巨大磁阻的傳輸機制有關。這些系統的磁阻效應與早期的自旋電子散射機制不同,其磁阻變化率甚至更高。因此被預期有很大的應用潛力。
    本實驗利用射頻磁控濺鍍系統,以共濺鍍方式製作a-C:Co薄膜,將鈷金屬摻雜在非晶質碳基底的薄膜內,將薄膜成長在石英基板上;在室溫的量測環境下,觀察到a-C:Co薄膜在外加磁場0.3 (T)的正磁阻變化率(~10%),並隨著量測的外加偏壓變化,磁阻現象也有所對應。從I-V曲線關係圖觀察到a-C:Co薄膜擁有兩階段電阻,在電阻特性轉變處,其磁阻變化率為最大值。
    為了解a-C:Co薄膜的正磁阻機制,我們藉由拉曼光譜(Raman)、X光反射率(XRR)、X光吸收光譜(XAS)、紫外光光電子能譜(UPS)、超導量子干涉儀(SQUID),量測a-C:Co薄膜的密度、電子結構與磁化率,由實驗結果顯示,鈷與碳兩種元素的外層電子軌域互相混成形成複合材料。因此在外加磁場下,鈷金屬之d軌域受塞曼效應影響,d軌域發生分裂,可能導致a-C:Co薄膜的費米能階產生扭曲,進而影響電子傳輸,所以在磁阻的量測我們觀察到正磁阻現象。


    Recent studies of large magneto-resistance (MR) effect in several distinct mechanisms and systems have gained much attention because the MR ratio is comparable to, or even larger than, that of MR caused by a typical spin-dependent scattering mechanism discovered in magnetic multilayers. For examples, large positive MR induced by the space-charge effect has been achieved in metal-semiconductor hybrid devices. Besides, colossal MR related to switching the conducting channels between different layers has also been observed.
    In this report, we study anomalous giant MR effect in amorphous a-C:Co films on the quartz substrate. These films, investigated in current-in-plane geometry, has a bias voltage dependent positive magneto-resistance (PMR), and at room temperature, the MR value reaches 10% under a relative low magnetic field H=0.3 (T) and bias voltage of 4V.
    By using Raman spectrum、X-ray Reflectivity(XRR)、X-ray Absorption Spectrum(XAS)、Ultra-Violet Photoemission Spectrum(UPS) and Superconducting Quantum Interference Device(SQUID), we measure a-C:Co films the mass density、electron structure and magnetic properties to investigation of coupling the electro-transport. The result of Co and Carbon electron orbital to hybrid, and applied external magnetic field the Co d orbital will be split by Zeeman Effect. And then maybe distorted a-C:Co Fermi level to effect electro-transport.

    摘要 i 致謝 iii 目錄 iv 表目錄 vii 圖目錄 viii 第一章 序論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 3 1.3 文獻回顧與探討 5 第二章 基本理論 12 2.1 磁性起源 12 2.2 磁性物質[19] 13 2.2.1 鐵磁性(Ferromagnetic): 13 2.2.2 反鐵磁性(Anti-Ferromagnetic): 14 2.2.3 亞鐵磁性(Ferrimagnetic): 15 2.2.4 順磁性(Paramagnetic): 16 2.2.5 超順磁性(Superparamagnetic): 16 2.2.6 抗磁性(Diamagnetic): 17 2.3 磁阻簡介 17 2.3.1 鐵磁合金顆粒嵌在導電基底薄膜: 20 2.3.2 磁性顆粒嵌在絕緣基底薄膜: 21 2.4巨磁阻效應 22 2.5 鐵磁性的能帶理論 23 2.6 塞曼效應(Zeeman effect)[22] 23 第三章 儀器設備與實驗原理 26 3.1 成長樣品儀器:射頻磁控濺鍍系統[23] 26 3.2 實驗測量儀器 28 3.2.1 同步輻射光源(Synchrotron Radiation)[24] 28 3.2.2 X光吸收光譜(X-ray Absorption Spectroscopy,XAS)[25] 28 3.2.3 光電子能譜術(Photoemission Spectroscopy,PES)[26] 31 3.2.4 X光反射率(X-ray Reflectivity,XRR) 33 3.2.5 拉曼光譜(Raman Spectroscopy)[28] 33 3.2.6 四點電性量測 34 第四章 樣品製備與步驟 37 4.1 濺鍍系統 37 4.2 靶材製作及基材鍍膜前處理 38 第五章 a-C:Co薄膜磁電阻與討論 41 5.1 a-C:C薄膜成份定性分析 41 5.2 a-C:C薄膜電性量測 45 5.3 薄膜磁電阻量測 46 5.4 a-C:Co薄膜磁電性質之討論 53 第六章 a-C:Co薄膜結構與討論 54 6.1 X光反射率 54 6.2 X光吸收光譜 57 6.2.1 硬吸收光譜-XANES and EXAFS 58 6.2.2 軟吸收光譜-XNEAS 59 6.3 紫外光光電子能譜 62 6.4 a-C:Co薄膜結構特性之討論 63 第七章 總結與討論 66 7.1 a-C:Co薄膜系統電性討論 66 7.2 a-C:Co薄膜系統電子結構討論 67 7.3 總結 69 第八章 未來展望 71 參考文獻及附錄 72

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