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12 ML Ni/ 0.5 ML Ag/Si( 111 )上 成長之磁特性研究 報告者：李芳谷 校內指導教師：傅斯平 博士 校外指導教師：國立臺灣師範大學物理學系 張丞勛 博士候選人 指導教授：國立臺灣師範大學物理學系 蔡志申 教授 1 摘 要 450 K至550 K Si開始向上擴散，造成鐵磁性下降，至 575 K時磁滯曲線已測不到，無鐵磁性。所以認為 450 K至 575 K時，Si、Ni大量化合成NiSi、N𝑖2 𝑆𝑖以及N𝑖𝑆𝑖2 ，可以 得知Ag不會阻止鎳矽化合，並且在 600 K時，發現部分 Ag會產生退吸附現象。 2 目 錄 1.動機 2.儀器、原理 3.實驗結果與討論 4. 結論、參考文獻 3 動 機 1.這次的專題研究之所以會選用Ni、Si的組合，是因為在 半導體產業中矽化鎳所展現優異的表現。 2.選定 12 ML Ni/ 0.5 ML Ag/Si( 111 )是因為當Ni的厚度小 於nm等級時，會有較好的原子移動率，並且會隨厚度變薄， 隨之提升[3]。 4 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 5 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 6 超高真空儀器 CHA(接收歐傑電子) SMOKE(測量磁性) Laser AES e-gun(射出電子束) Sample Manipulator (調整樣品的距離) 鈦昇華幫浦(利用Ti與氣體化合成 固態，再被渦輪分子幫浦帶走) 7 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 8 真空 真空定義 美國真空學會定義:壓力值小於一大氣壓即為真空。 mbar Pa mbar 1 100 Pa 1．10-2 1 Torr 1.33 133 atm 1013 101325 Torr atm 0.75 -3 7.5．10 1 760 9.87．10-4 表1-1常用壓力單位換算一覽表 9.87．10-6 1.32．10-3 1 9 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 10 真空等級 粗真空 中真空 中高真空 高真空 壓力範圍 （Torr） 760 ～ 100 100 ～ 1 1 ～ 10-4 10-4～ 10-8 分子數/cm3 （at 20。 ） 2.5．1019～ 3.3．1018 3.3．1018～ 3.3．1016 3.3．1016～ 3.3．1013 3.3．1013～ 3.3．109 ≦ 3.3．108 平均自由徑路徑 （λ; cm） 5．10-6～ 5．10-5 5．10-5～ 5．10-3 5．10-3～ 5 5 ～ 5．104 > 5．104 所需幫浦 機械幫浦 機械幫浦與擴散幫浦的組合 主要殘留氣體 空氣、水、CO2 和一些易揮發溶 液的蒸汽 H2、CO外還有幫浦油蒸氣 表1-2真空度分級表 超高真空 ≦ 10-9 機械幫浦、擴散幫浦、 離子幫浦、渦輪分子 幫浦、冷凍幫浦和 鈦昇華幫浦的組合 大部分為H2和CO 11 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 12 為何要真空？ 真空的等級會影響到數據的可信度 乾淨的材料表面在1．10-6 torr真空中，平均1秒會吸 附一層雜質（1．10-6 torr．Sec = 1 Langmuir）。 13 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 14 蒸鍍 蒸鍍因材料的不同有分兩種，但原理是一樣的。 1.燈絲型：因材料熔點較高，於真空中可直接昇華。 2.坩鍋型：因材料熔點較低，因加熱而熔化後再蒸發。 15 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 16 歐傑電子能譜儀（AES） 能量 17 18 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 19 Auger Signal (arbirary units) 300 K升溫AES原始譜 AES 80000 60000 40000 20000 0 -100 粒 子 數 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Auger Signal (arbirary units) 歐傑電子能譜儀（AES） 300 K升溫AES微分譜 12000 AES 10000 8000 6000 4000 2000 0 -2000 -4000 -100 0 Kinetic Energy (eV) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Kinetic Energy (eV) 動能(電子入射的動能) 20 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 21 表面磁光柯爾效應（SMOKE） 柯爾（Kerr）發現當線偏振光經磁化材料表面反射後會轉變為橢圓 偏振光，且長軸所在的偏振面，會相對於入射偏振光之偏振面偏轉 一角度，此現象稱為磁光柯爾效應（magneto-optic Kerr effect）。 22 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 23 磁滯曲線 飽和磁化量Ms 殘磁量Mr 矯頑力Hc 24 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 25 12 ML Ni /0.5 ML Ag/Si (111) 升溫AES Auger intensities (arb.units) 12ML Ni/0.5 ML Ag/Si (111) anneal AES ISi 92 IAg 351 INi 61 2400 1200 0 300 400 500 600 (1)300 K到 550 K探測不到 Si，且Ni、Ag保持不變， 由電子平均自由徑推測， 由於 12 ML Ni與 0.5 ML Ag蓋住基底Si，且擴散 現象不明顯。 700 Temperature (K) 26 12 ML Ni /0.5 ML Ag/Si (111) 升溫AES Auger intensities (arb.units) 12ML Ni/0.5 ML Ag/Si (111) anneal AES ISi 92 IAg 351 INi 61 2400 1200 0 300 400 500 600 Temperature (K) 700 (2)550 K到 600 K時，Si開始 出現且快速增加，Ni訊號、 Ag訊號都下降，是因Si向樣品 表面擴散，而Ni往Si基底擴散， 但Ag由於表面自由能過低， 產生退吸附現象。 (3) 625 K後所有訊號皆穩定不 變，保持一個穩定態。 27 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 28 回憶－磁滯曲線 飽和磁化量Ms 殘磁量Mr 矯頑力Hc 29 12 ML Ni / Ag-Si(111)(AT , LMOKE、PMOKE)原始譜 12 ML Ni/ 0.5 ML Ag/Si( 111 )(AT,PMOKE) 12 ML Ni/ 0.5 ML Ag/Si( 111 )(AT,LOMKE) 0.0126 625K 600K 575K 550K 525K 500K 475K 450K 425K 400K 375K 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 -2000 -1000 0 1000 Magnetic field (Oe) 2000 Kerr singals(arb.units) Kerr singals (arb.units) 0.014 0.0108 625K 600K 575K 550K 525K 500K 475K 450K 425K 400K 375K 0.0090 0.0072 0.0054 0.0036 0.0018 0.0000 -2000 -1000 0 1000 2000 Magnetic field(Oe) 觀察LMOKE與PMOKE，發現隨溫度上升P方向矯頑力皆比L方向 大10倍以上，所以此系統的磁化易軸為L方向，磁化強度則皆隨著 溫度逐漸下降，當 575 K時皆無法測得磁滯曲線，失去鐵磁性。 30 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 31 回憶－磁滯曲線 飽和磁化量Ms 殘磁量Mr 矯頑力Hc 32 12 ML Ni / Ag-Si(111)(AT , LMOKE)分析 Hc Ms Mr coercive force (Oe) Kerr intensity (arb.units) 0.00054 0.00036 0.00018 0.00000 74 37 0 300 400 500 600 Temperature (K) 700 300 400 500 600 700 Temperature (K) 33 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 34 12 ML Ni /0.5 ML Ag/Si (111) 升溫AES、AT-LOMKE Auger intensities (arb.units) 12ML Ni/0.5 ML Ag/Si (111) anneal AES INi 61 IAg 351 ISi 92 2400 1200 0 300 400 500 600 700 Temperature (K) Kerr intensity (arb.units) 0.00054 Ms (1)在 300 K至 550 K時，Ni緩緩擴散至 Ag和Si內，使得Ms、Mr下降。 (2) 550 K至 575 K時，得知 Ni、Ag、Si 開始混合，Ni與Si產生以NiSi為主要的 化合物[4]，和部分Ni2Si、NiSi2[6]，使 得磁性消失。 Mr Ni 0.00036 0.00018 0.00000 300 400 500 600 Temperature (K) 700 Ag Si 平衡 平衡 少量出現 Ms、Mr下降 550 K Ms、Mr驟降 575 K 大量減少 大量減少 大量出現 平衡 平衡 平衡 Ms、Mr、Hc皆無 600 K 35 12 ML Ni /0.5 ML Ag/Si (111) 升溫AES、AT-LOMKE Auger intensities (arb.units) 12ML Ni/0.5 ML Ag/Si (111) anneal AES INi 61 IAg 351 ISi 92 2400 1200 (3)接著在600 K Ag產生退吸附現象 (4) 625 K後樣品上只剩NiSi混合一 定量 Ag，歐傑訊號呈現穩定。 0 300 400 500 600 700 Temperature (K) Kerr intensity (arb.units) 0.00054 Ms Mr Ni 0.00036 0.00018 0.00000 300 400 500 600 Temperature (K) 700 Ag Si 平衡 平衡 少量出現 Ms、Mr下降 550 K Ms、Mr驟降 575 K 大量減少 大量減少 大量出現 平衡 平衡 平衡 Ms、Mr、Hc皆無 600 K 36 流程圖 1. 真空 2.儀器+原理 實驗儀器 定義 等級 原因 蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE MOKE 比較 AT－ LMOKE LMOKE、 AES比較 磁滯曲線 3.實驗 4.總結 升溫AES 結論 37 結論 1.溫度450 K至550 K時由於Ni擴散與Si和Ag 開始產生合金，鐵磁性緩緩下降。 2. 575 K時，Si與Ni大量化合，無磁滯曲線， 失去鐵磁性，主要成分為NiSi與部分N𝑖2 𝑆𝑖 、N𝑖𝑆𝑖2 。 3.在 575 K時，鎳矽化合物和Ag混和， 且在 600 K時，部分Ag會產生退吸附現象，所以 可知Ag不會阻止鎳矽化合。 38 參考文獻 [1] H.I wai, 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