Ni80Fe20薄膜與Ni80Fe20/Cr交換場複合系統之磁力表面分析與電性探討

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研究生：	劉嘉憲 Liu, Chia-Hsien
論文名稱：	Ni80Fe20薄膜與Ni80Fe20/Cr交換場複合系統之磁力表面分析與電性探討 Observation of Magnet-Force-Microscopic Images and Electric Characteristic of Ni80Fe20 and Exchange-Biased Ni80Fe20/Cr Multi-layer Magnet Thin Films System
指導教授：	呂助增 Lue, Juh-Tzeng 羅光耀 Lo, Kuang-Yao
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 物理學系 Department of Physics
論文出版年：	2010
畢業學年度：	98
語文別：	中文
論文頁數：	134
中文關鍵詞：	磁性、交換場、Ni80Fe20/Cr
外文關鍵詞：	magnetism, Exchange Field, Ni80Fe20/Cr
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摘要
本篇論文研究鎳鐵（Ni80Fe20）與鎳鐵（Ni80Fe20）/鉻（Cr）多層薄膜系統的表面磁結構與電性特性。配合電子傳輸理論與磁阻分析研究鎳鐵與鉻之間的交換場效應。樣品採濺鍍法製膜，分別製程出四種不同的系統來做比較。經由表面磁結構的觀察，並利用低溫四點量測獲得電阻率對溫度的變化，配合電子傳輸理論的擬合分析，了解電子在樣品中的行為。最後再觀察其內在的磁阻效應。清楚讓我們了解到每一層材料對不同樣品外在和內在性質所扮演的角色、作用機制和了解其交換場效應的影響。實驗結果上，擬合電子傳輸理論顯示出不同系統反射變數p是相近的，表示電子在各樣品內的傳輸性質是類似的，不受薄膜結構不同而改變行為。而在交換場的作用卻會減緩了電阻率對溫度的效應。最後的磁阻分析，在有無交換場作用下的薄膜系統分別對外磁場作用效應不同直接地顯現在磁阻效應上。其可歸咎於交換場效應的顯現所造成。在有無緩衝層的鎳鐵/鉻系統皆觀察到具有交換場的效應。且在具有交換場的系統下會使磁阻MR大大的提升，且溫度越低越明顯。在不具有緩衝層下的鎳鐵/鉻系統觀察到在低溫時甚至上升至高達20%左右的磁阻，而在加入5nm的緩衝層時，在低溫也有觀察到有12%左右的磁阻。另外也更進一步觀察到交換場效應會隨著外磁場的增強而減弱，因而導致磁阻MR值隨外磁場的增強而減小。由系統結構上、溫度上甚至與外加場等不同效應的直接證據，可更清楚了解交換場的作用機制。

目錄
摘要                                                       I
致謝                                                      II
目錄                                                      VI

正文
第一章    　緒論                                           1
第二章    　磁性理論                                       3
  2-1　物質磁性概述                                        3
  2-2　磁性起源                                            8
  2-3　過渡族金屬的原子磁矩                                9
  2-4　鐵磁性物質的基本特徵                                9
  2-5　鐵磁體的五種相互作用能量                           11
  2-6　磁區理論                                           17
       2-6-1　磁區成因                                    17
       2-6-2　磁壁的形成                                  18
       2-6-3　磁壁的類型                                  22
       2-6-4　磁壁厚度與磁壁能計算                        24
       2-6-5　磁性薄膜磁區理論                            27
       2-6-6　磁性薄膜的磁壁與磁區結構                    28
       2-6-7　磁性薄膜的磁區結構計算                      28
  2-7　坡莫合金（Permalloy）的性質                        33
  2-8　應生磁化理論                                       35
  2-9　磁與電的耦合效應                                   41
       2-9-1　磁阻簡介                                    41
       2-9-2　磁場電效應                                  42
       2-9-3　正常磁電阻（OMR）                           45
       2-9-4　鐵磁金屬的電阻率與磁電阻                    45
       2-9-5　Two channel model                           49
       2-9-6　交換耦合作用（exchange coupling）           51
第三章    　金屬電子傳輸理論                              56
  3-1　尺寸效應（size effect）                            56
       3-1-1　靜電場中的Boltzmann equation                57
       3-1-2　電子散射模式                                59
       3-1-3　金屬薄膜的Fush-Sondheimer模型               59
       3-1-4　塊材電阻率與溫度之間的關係                  63
  3-2　縱向磁場下的尺寸效應                               65
       3-2-1　縱向（longitudinal）磁場下的Boltzmann equation
                                                          65
       3-2-2　Koenigsberg model                           67
       3-2-3　Kao model                                   68
  3-3　橫向磁場下的尺寸效應                               70
       3-3-1　橫向（transverse）磁場下的Boltzmann equation
                                                          70
       3-3-2　橫向磁場下的磁阻                            72
  3-4　電阻溫度係數                                       75
第四章    　實驗設備與分析方法                            76
  4-1　磁控濺鍍機                                         76
       4-1-1　實驗裝置                                    76
       4-1-2　工作原理                                    76
  4-2　磁力顯微儀                                         78
       4-2-1　實驗裝置                                    78
       4-2-2　工作原理                                    78
       4-2-3　基本架構                                    83
       4-2-4　實驗步驟與方法                              89
  4-3　四點量測與低溫系統                                 90
       4-3-1　儀器架構                                    91
       4-3-2　實驗原理                                    91
  4-4　磁場產生裝置                                       95
  4-5　Alpha step                                         95
第五章    　實驗流程與實驗方法                            97
  5-1　實驗流程                                           97
  5-2　實驗方法                                           97
  5-3　樣品製作                                           98
  5-4　樣品分析                                           99
  5-5　樣品量測                                           99
第六章    　Sample 架構                                  101
第七章    　實驗結果與討論                               102
  Part 1　AFM/MFM 表面分析                               102
  Part 1　結論                                           110
  Part 2　樣品電阻率                                     112
  Part 2　結論                                           113
  Part 3　電子傳輸行為                                   114
  Part 3　結論                                           120
  Part 4　磁阻分析                                       123
  Part 4　結論                                           126
第八章    　總結                                         129
參考文獻                                                 132

                                

參考文獻
第一章緒論
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第二章磁性理論
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第三章金屬電子傳輸理論
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[10] C.R. Tellier, A.J. Tosser, op. cit., Ch2 pp.155-157.
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