12 ml ni/ 0.5 ml ag/si( 111 ) 上成長之磁特性研究

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 、，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

5

1. 真空實驗儀器定義等級原因2. 儀器 + 原理蒸鍍 AES AES 分析 SMOKE

磁滯曲線3. 實驗升溫 AES MOKE 比較 AT －

LMOKE

LMOKE、 AES 比較4. 總結結論

流程圖

6



LMOKE


超高真空儀器

7

CHA( 接收歐傑電子 ) AES e-gun( 射出電子束 )

SMOKE( 測量磁性 )

Laser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 )

Sample Manipulator

( 調整樣品的距離 )

流程圖

8



LMOKE


真空 mbar Pa Torr atm

mbar 1 100 0.75 9.87 ． 10-4

Pa 1 ． 10-2 1 7.5 ． 10-3 9.87 ． 10-6

Torr 1.33 133 1 1.32 ． 10-3

atm 1013 101325 760 1

9

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。

表 1-1 常用壓力單位換算一覽表

流程圖

10



LMOKE


真空等級粗真空中真空中高真空高真空超高真空

壓力範圍（ Torr ）

760 ～ 100 100 ～ 1 1 ～ 10-4 10-4 ～ 10-8 ≦ 10-9

分子數 /cm3

（ at ）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

主要殘留氣體空氣、水、 CO2和一些易揮發溶液的蒸汽

H2 、 CO 外還有幫浦油蒸氣大部分為 H2 和 CO 11表 1-2 真空度分級表

流程圖

12



LMOKE


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

14



LMOKE


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

16



LMOKE


歐傑電子能譜儀（ AES ）

17

能量

流程圖

19



LMOKE


歐傑電子能譜儀（ AES ）

20

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0

20000

40000

60000

80000

300 K AES升溫原始譜

Aug

er S

igna

l (ar

bira

ry u

nits

)

Kinetic Energy (eV)

AES

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000300 K AES升溫微分譜

Aug

er S

igna

l (ar

bira

ry u

nits

)

Kinetic Energy (eV)

AES

動能 ( 電子入射的動能 )

粒子數

流程圖

21



LMOKE


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

23



LMOKE


磁滯曲線

24

飽和磁化量 Ms

矯頑力 Hc

殘磁量 Mr

流程圖

25



LMOKE


300 400 500 600 7000

1200

2400

12ML Ni/0.5 ML Ag/Si (111) anneal AES

Aug

er in

tens

ities

(arb

.uni

ts)

Temperature (K)

ISi 92 IAg 351 INi 61

12 ML Ni /0.5 ML Ag/Si (111) 升溫 AES

26

(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。

300 400 500 600 7000

1200

2400


Aug

er in

tens

ities

(arb

.uni

ts)

Temperature (K)

ISi 92 IAg 351 INi 61

27

(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。

12 ML Ni /0.5 ML Ag/Si (111) 升溫 AES

流程圖

28



LMOKE


回憶－磁滯曲線

29

飽和磁化量 Ms

矯頑力 Hc

殘磁量 Mr

12 ML Ni / Ag-Si(111)(AT , LMOKE 、 PMOKE) 原始譜

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

-2000 -1000 0 1000 20000.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

12 ML Ni/ 0.5 ML Ag/Si( 111 )(AT,LOMKE)

625K 600K 575K 550K 525K 500K 475K 450K 425K 400K 375K

Ker

r sin

gals

(arb

.uni

ts)

Magnetic field (Oe)-2000 -1000 0 1000 2000

0.0000

0.0018

0.0036

0.0054

0.0072

0.0090

0.0108

0.012612 ML Ni/ 0.5 ML Ag/Si( 111 )(AT,PMOKE)

625K 600K 575K 550K 525K 500K 475K 450K 425K 400K 375K

Ker

r sin

gals

(arb

.uni

ts)

Magnetic field(Oe)

流程圖

31



LMOKE


回憶－磁滯曲線

32

飽和磁化量Ms

矯頑力Hc

殘磁量Mr

12 ML Ni / Ag-Si(111)(AT , LMOKE) 分析

33

300 400 500 600 7000

37

74

coer

cive

forc

e (O

e)

Temperature (K)

Hc

300 400 500 600 7000.00000

0.00018

0.00036

0.00054

Ker

r int

ensi

ty (a

rb.u

nits

)

Temperature (K)

Ms

Mr

流程圖

34



LMOKE


300 400 500 600 7000.00000

0.00018

0.00036

0.00054

Ker

r int

ensi

ty (a

rb.u

nits

)

Temperature (K)

Ms

Mr

300 400 500 600 7000

1200

2400

INi 61 IAg 351 ISi 92


Aug

er in

tens

ities

(arb

.uni

ts)

Temperature (K)

12 ML Ni /0.5 ML Ag/Si (111) 升溫 AES 、 AT-LOMKE

35

(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。

Ni Ag Si550 K 平衡平衡少量出現 Ms 、 Mr 下降575 K 大量減少大量減少大量出現 Ms 、 Mr驟降600 K 平衡平衡平衡 Ms 、 Mr 、 Hc皆

無

300 400 500 600 7000.00000

0.00018

0.00036

0.00054

Ker

r int

ensi

ty (a

rb.u

nits

)

Temperature (K)

Ms

Mr

300 400 500 600 7000

1200

2400

INi 61 IAg 351 ISi 92


Aug

er in

tens

ities

(arb

.uni

ts)

Temperature (K)

12 ML Ni /0.5 ML Ag/Si (111) 升溫 AES 、 AT-LOMKE

36

(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。

Ni Ag Si550 K 平衡平衡少量出現 Ms 、 Mr 下降575 K 大量減少大量減少大量出現 Ms 、 Mr驟降600 K 平衡平衡平衡 Ms 、 Mr 、 Hc皆

無

流程圖

37



LMOKE


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、。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

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