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博碩士論文 etd-0812113-133225 詳細資訊
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論文名稱
Title
氮化釓(GdN)薄膜之物性研究
The study of physical property in GdN films
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
65
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2013-07-26
繳交日期
Date of Submission
2013-09-12
關鍵字
Keywords
鐵磁材料、載子遷移率、載子濃度、異常霍爾效應、氮化釓
Van der pauw, anomalous Hall effect, mobility, GdN, carrier concentration
統計
Statistics
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中文摘要
GdN的物理特性到目前為止皆無完整的了解,可能因此材料不易合成而且易與空氣中的氧及水氣反應有關。本研究與英國劍橋大學合作,藉由劍橋大學超高真空系統成長GdN薄膜,再結合中山大學奈米中心的離子束機台及本實驗室的精密量測系統,研究GdN不為人知的物理特性。 為保護GdN薄膜,GdN薄膜上下均由35nm之AlN密封,GdN薄膜的厚度分別為2nm、5nm、10nm及20nm。透過電阻率對溫度的量測,可以清楚發現GdN於90~300K之間呈半導體趨勢,並利用物理模型擬合後,導電的機制為兩組熱激發模型並聯的組合,這很有可能因為薄膜受上下保護層的作用而分為三層,二層靠近AlN保護層之薄膜受GdN/AlN介面應力影響而不同於中間層之GdN。SQUID量測磁化量隨溫度的變化,得到居禮溫度為71K(5nm、10nm薄膜),78K(20nm薄膜)。M-H Loop 也發現鐵磁訊號,證實GdN為鐵磁材料。霍爾量測中觀測到異常霍爾效應,材料的載子濃度約在1018等級。且透過載子濃度與載子遷移率對溫度的變化中,發現其轉折的溫度區間高於居禮溫度,說明材料在從順磁態轉變於鐵磁態的降溫過程中,有一過渡的混合態。最後根據以上研究順利畫出此反應之相圖。
Abstract
GdN is a mysterious material contains a lot of unknowns which could because of difficult to form and very easy to react with air and humidity.This study collaborate with Cambridge University by using their ultra-high vacuum sputtering system to grow GdN films. Along with Focus ion beam and ultra precision measurement system to study the unknown side of GdN films. In order to maintain the properties of GdN thin film, a 35-nm AlN capping layer was deposited upon the GdN layer, which are grown 2 nm, 5 nm, 10 nm and 20 nm. According to the temperature dependency of resistivity on GdN film, it can be seen that GdN shows semiconductive during 90K~300K with a conductive mechanism by two thermal excite in parallel. This is because that GdN film could be influenced by AlN-induced stress at interface, we obtained a result of fitting in two thermal excite in parallel on GdN. Additionally, we observe the Curie temperature (Tc) for our films in 5 nm and10 nm, and 20 nm are 71K and 78K, respectively by SQUID. As well as the ferromagnetism signal at M-H loop was also found, confirming GdN is a kind of ferromagnetic materials. By Hall measurement, we found the sample shows anomalous Hall effect and its carrier concentration is 1018 (1/cm3).At the temperature dependent of carrier concentration and carrier mobility, found that the transition temperature shows higher than Curie temperature, demonstrating that there is a mixed state as sample was cooling which is also a circumstances of film was transformed from paramagnetic state to ferromagnetic state. Finally, we draw the phase diagram of this reaction by those experimental results.
目次 Table of Contents
目錄
論文審定書--------------------------------------------------------------------------------------- i
致謝------------------------------------------------------------------------------------------------- ii
摘要-------------------------------------------------------------------------------------------------iii
Abstract------------------------------------------------------------------------------------------ iv
目錄------------------------------------------------------------------------------------------------- v
表目錄-------------------------------------------------------------------------------------------- vii
圖目錄-------------------------------------------------------------------------------------------- vii
Chapter 1 緒論---------------------------------------------------------------------------------1
Chapter 2 理論研究與文獻回顧--------------------------------------------------------2
2-1 理論研究---------------------------------------------------------------------------------------2
2-1-1 材料中電子傳輸特性---------------------------------------------------------------2
2-1-2 單自旋金屬(half-metal)材料簡介-------------------------------------------------5
2-2 文獻回顧---------------------------------------------------------------------------------------7
Chapter 3 實驗方法與原理及儀器簡介--------------------------------------------13
3-1 實驗樣品--------------------------------------------------------------------------------------13
3-1-1 實驗樣品簡介-----------------------------------------------------------------------13
3-1-2 實驗樣品製備-----------------------------------------------------------------------13
3-2 實驗原理與方法-----------------------------------------------------------------------16
3-2-1 霍爾效應-----------------------------------------------------------------------------16
3-2-2 Ven der pauw 量測原理-----------------------------------------------------------18
3-2-3 Ven der pauw 量測-----------------------------------------------------------------21 3-2-4 Labview 程式撰寫------------------------------------------------------------------24
3-3 實驗儀器簡介--------------------------------------------------------------------------------26
3-3-1 低溫量測系統-----------------------------------------------------------------------26
3-3-2 雙束型聚焦離子束(Focused Ion Beam)----------------------------------------28
3-3-3 電子束蒸鍍系統(electron-beam gun coater system)--------------------------29
3-3-4 超導量子干涉儀--------------------------------------------------------------------30
Chapter 4 實驗結果與分析--------------------------------------------------------------32
4-1 電性量測--------------------------------------------------------------------------------------32
4-1-1 ρ-T curve----------------------------------------------------------------------------32
4-1-2 ρ-T curve fitting -------------------------------------------------------------------34
4-1-3 Hall measurement ------------------------------------------------------------------37
4-2 磁性量測--------------------------------------------------------------------------------------47
4-2-1 M-T curve----------------------------------------------------------------------------47
4-2-2 M-H loop----------------------------------------------------------------------------49
Chapter 5 結論-------------------------------------------------------------------------------51
Reference----------------------------------------------------------------------------------------53
表目錄
表 4-1 GdN 2nm、5nm、10nm 以及 20nm,ρ-T curve fitting 結果整理表-------------34
表 4-2 膜厚 5nm 之 GdN,各溫度對應之霍爾係數 R H 、載子濃度 n 及遷移率 u------43
表 4-3 膜厚10nm之GdN,各溫度對應之霍爾係數R H 、載子濃度n及遷移率u ----43
表 4-4 膜厚 20nm 之 GdN,各溫度對應之霍爾係數 R H 、載子濃度 n 及遷移率 u----44
表 4-5 膜厚 5nm、10nm、20nm 之 GdN,其 T C 與個轉變溫度對應表-------------------45
圖目錄
圖 2-1 不同個數原子之能階圖---------------------------------------------------------------- 2
圖 2-2 能帶形成示意圖------------------------------------------------------------------------- 2
圖 2-3 能帶分裂形成價帶與導帶示意圖---------------------------------------------------- 3
圖 2-4 絕緣體、半導體、導體之能帶被電子占據的情形------------------------------- 3
圖 2-5 Pb、Fe、Pt、W、AL、Cu,六種金屬之電阻率對溫度變化曲線圖--------- 4
圖 2-6 半導體材料之電阻率對溫度變化曲線圖------------------------------------------- 4
圖 2-7 (a)非磁性金屬(b)磁性金屬(c)單自旋金屬,其能帶結構簡圖。E F 為費米能
階,E g 為能隙----------------------------------------------------------------------------6
圖 2-8 稀土族與單一磷族化合物的三種反鐵磁結構圖。箭頭方向是指稀土族原子
磁矩方向。(a)AFM-Ⅰ(b)AFM-Ⅱ(c)AFM-Ⅲ------------------------------------- 7
圖 2-9 GdX(X=N、As、P、Sb)能帶結構圖。E f 為 Fermi energy --------------------- 8
圖 2-10 GdN 能帶結構圖。(a)LSDA 計算(b)LSDA+U 計算。GdN 晶格常數 a=4.974Å,
實線代表自旋向上,虛線代表自旋向下------------------------------------------ 9
圖 2-11 GdN 之 XPS 光譜圖。此圖為 GdN 於 valence-band 其中 Gd 原子 5p 與 4f
軌域之能量強度----------------------------------------------------------------------- 10
圖 2-12 GdN 能量密度圖---------------------------------------------------------------------- 10
圖 2-13 GdP(As、Sb、Bi)之 ρ-T 圖---------------------------------------------------------- 11
圖 2-14 GdN 之 ρ-T 圖-------------------------------------------------------------------------- 11
圖 2-15 GdN 薄膜在溫度 10K 之濺鍍功率與飽和磁化以及矯頑力的關係圖。小圖
為 GdN 薄膜在溫度 10K 之 M-H loop--------------------------------------------- 11
圖 2-16 一系列 GdN 薄膜之 X-ray 繞射圖,成長於 4%N 2 並 0.49,0.56,0.63,0.69,
0.76,0.83,0.89 and0.96 W/cm
2 的環境---------------------------------------------- 11
圖 2-17 二維 FCC 的晶格,因氮空缺造成晶格扭曲示意圖。虛線區域為 GdN 第二
相。J1 與 J2 分別表示最近臨原子和次近臨原子間的磁交互作用力------ 12
圖 3-1 樣品結構圖----------------------------------------------------------------------------- 13
圖 3-2 樣品蝕刻區域示意圖。紅色區域為蝕刻區域----------------------------------- 14
圖 3-3 樣品黏貼鋁箔示意圖。用 FIB 斜向蝕刻進入,達到 GdN 薄膜(紅色層),立
即鍍上一層鎢作保護,之後立刻鍍鈦鍍黃金----------------------------------- 14
圖 3-4 樣品製備流程圖----------------------------------------------------------------------- 15
圖 3-5 霍爾效應示意圖之一----------------------------------------------------------------- 16
圖 3-6 霍爾效應示意圖之二----------------------------------------------------------------- 17
圖 3-7 電流作用於樣品圖-------------------------------------------------------------------- 18
圖 3-8 電流作用於樣品示意圖-------------------------------------------------------------- 19
圖 3-9 電阻率量測接線示意圖-------------------------------------------------------------- 21
圖 3-10 霍爾量測接線示意圖----------------------------------------------------------------- 23
圖 3-11 電阻率對溫度量測程式流程圖----------------------------------------------------- 24
圖 3-12 霍爾量測量測程式流程圖----------------------------------------------------------- 24
圖 3-13 CTI 封閉式循環低溫冷凝系統示意圖-------------------------------------------- 27
圖 3-14 儀器架設配置圖----------------------------------------------------------------------- 27
圖 3-15 雙束型聚焦離子束-------------------------------------------------------------------- 28
圖 3-16 電子束蒸鍍系統構造示意圖-------------------------------------------------------- 29
圖 3-17 兩個約瑟芬元件並聯組成 SQUID。超導體(S)/絕緣層(I)/超導體(S),組成
SIS 幾何形狀的約瑟芬元件--------------------------------------------------------- 30
圖 3-18 超導量子干涉磁量儀(SQUID)示意圖-------------------------------------------- 31
圖 4-1 不同膜厚之 GdN 薄膜其溫度對電阻率變化圖。(a)2nm(b)5nm(c)10nm(d)20
nm。縱軸單位為 mΩ-cm,黑色箭頭所指之溫度為電阻率峰值之溫度,文
中定為 Tp;粉紅色箭頭則為低溫電阻率最低點之溫度---------------------- 33
圖 4-2 不同膜厚之 GdN 薄膜,其電阻率最大值(ρ-max)以及溫度 300K 時的電阻率
比較圖。小圖為不同膜厚之 GdN 薄膜其轉變溫度(T p )----------------------- 33
圖 4-3 GdN(a)2nm(b)5nm(c)10nm(d)20nm fitting 結果。2nm、5nm、20nm 的 fitting
結果為兩組熱激發並聯模型擬合較佳,而 10nm 則是熱激發搭配弱侷域的
模型較佳,(c)小圖為 10nm 以兩組熱激發並聯模型擬合結果。紅色線為擬
合曲線,黑色則是原始ρ-T 數據曲線------------------------------------------- 36
圖 4-4 外加磁場與電流方向示意圖-------------------------------------------------------- 39
圖 4-5 R xy 與外加磁場的五個部分--------------------------------------------------------- 39
圖 4-6 膜厚 5nm、10nm、20nm 之 GdN 薄膜其霍爾量測下,霍爾電阻 R xy 對磁
場之變化圖。縱軸單位為 mΩ------------------------------------------------------ 40
圖 4-7 膜厚 5nm、10nm、20nm 之 GdN 薄膜,其在正負磁場量測下,對應的霍爾
電阻值相扣後的結果,R xy 對磁場關係圖。虛線為高磁場下的趨勢線,其
斜率可計算其載子濃度。縱軸單位為 mΩ--------------------------------------- 41
圖 4-8 膜厚 5nm、10nm、20nm 的 GdN 薄膜之載子濃度隨溫度變化圖---------- 46
圖 4-9 膜厚 5nm、10nm、20nm 的 GdN 薄膜之遷移率隨溫度變化圖------------- 46
圖 4-10 ZFC 和 FC 磁化量隨溫度變化圖。虛線為輔助線,兩線交點即 T c ------- 47
圖 4-11 ZFC 和 FC 磁化量隨溫度變化之重疊圖。實心的數據為 ZFC 下量測,空心
的則為 FC。ZFC 與 FC 開始分岔的溫度定為凍結溫度 T f ------------------- 48
圖 4-12 紅色線為不同膜厚對應的居禮溫度 T c ;黑色線為不同膜厚對應的凍結溫度
T f ------------------------------------------------------------------------------------------ 48
圖 4-13 膜厚 5nm、10nm、20nm 的 GdN 薄膜,分別在溫度 5K、25K、70K 以 150K
中的 M-H Loop------------------------------------------------------------------------ 50
圖 5-1 GdN 膜厚 2nm、5nm、10nm、20nm 之電阻率與磁化量隨溫度變化圖。紅
色虛線為轉變溫度 T p 之溫度位置------------------------------------------------- 51
圖 5-2 相隨溫度轉變圖。FM 為鐵磁相,PM 為順磁相,Mix 則是超順磁 SPM 與
順磁的混合相-------------------------------------------------------------------------- 52
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2002.10物理雙月刊二十四卷五期。
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