巨磁阻(GMR) 與穿隧磁阻(TMR) 中，電阻值的變化情況會與兩邊鐵磁層電子自旋
組態有關，電子自旋組態不平均以磁區形式的方式表現出來，當兩邊磁化方向平行
時電阻最小，兩邊磁化方向反平行時電阻最大。量測磁阻時為整體效應，唯有透過
適當的方式才可量測局部之磁區以了解局部自旋傳輸影響電阻的變化的情況，對光
發射電子顯微術(Photoemission Electron Microscopy, PEEM) 與科爾顯微術(Kerr
Microscopy) 而言，就是探測局部磁區很適當的工具。
於超高真空系統(UHV) 下成長Mn/Ag wedge/Fe(100) 超薄膜系統，以歐
傑電子能譜(AES) 、低能電子繞射(LEED) 及中能電子繞射(MEED) 來監測
基板清潔、晶格結構及鍍膜速率，製備完成後利用具有元素解析性的光發射
電子顯微術(PEEM) 探測Mn 與Fe 的磁區。於超高真空系統(UHV) 下成長
Ti/Fe/Ti/SiO2/Si(100) 薄膜系統，製備完成後於大氣中利用科爾顯微術(Kerr
Microscopy) 觀測。
利用光發射電子顯微術(PEEM) 可很成功探測到Fe 與Mn 磁區，並發現Fe 與
Mn 在有Ag 與沒有Ag 情況下，皆會使反鐵磁性的Mn 受Fe(100) 影響產生鐵
磁性；在科爾顯微術(Kerr Microscopy) 方面，發現利用多次資料平均可有效提高
訊噪比並估計出檢偏器設定之角度越接近柯爾旋轉越好。藉由光發射電子顯微術
(Photoemission Electron Microscopy, PEEM) 與科爾顯微術(Kerr Microscopy) 磁
區觀測，再搭配電性量測工具，可更直接觀測到局部磁區與電阻之間的關係。

In giant magnetoresistance (GMR) or tunneling magnetoresistance (TMR) materials,
the transport properties rely on the related spin configurations, i.e., the
parallel spin configuration in both magnetic layers is responsible for the lower resistivity
state while the antiparallel spin configuration between them exhibit the
higher resistivity state. However, the magnetic materials in realistic do not align
completely in one direction; they exhibit magnetic domains to reduce the dipolar
interaction instead. It is thus crucial to investigate in detailed about how the
magnetic domain evolution influences the magnetoresistance in GMR or TMR
materials. So, Photoemission Electron Microscopy (PEEM) and Kerr microscope
are very good tools for us to study the magnetic domain in local area.
The in-situ preparation Mn/Ag wedge/Fe(100) ultrathin films are measured
by Auger electron spectroscopy (AES), low energy electron diffraction (LEED),
medium energy electron diffraction (MEED), and photoemission electron microscope
(PEEM) in an ultrahigh vacuum chamber.
The preparation Ti/Fe/Ti/SiO2/Si(100) thin films are performed in an ultrahigh
vacuum chamber and then are measured by Kerr Microscopy in air.
By observing the evolution of magnetic domain, we can know more the detailed
information on magnetism microscopically and the correlation between the
magnetic properties and electric transport properties.

1 簡介1
2 基礎觀念3
2.1 鐵磁性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 磁滯曲線(hysteresis loop) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 居禮溫度(Curie temperature) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 反鐵磁性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 磁區形成理論(Domain Theory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 實驗影像處理技術7
3.1 數位影像處理(Digital Image Processing, DIP) . . . . . . . . . . . . . 7
3.1.1 數位影像基本觀念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1.2 影像品質判定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1.3 數位影像檔案格式介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 數位影像處理技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.1 亮度傾斜修正. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.2 空間高頻修正. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.3 灰階動態範圍(Dynamic Range of Image) 調整. . . . . . . . 11
3.2.4 影像平均消除雜訊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.5 非磁影像扣除. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 實驗方法與原理17
4.1 超高真空腔(Ultra High Vacuum, UHV) . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.2 實驗流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.3 超薄膜成長. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.3.1 薄膜成長模式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3.2 晶格匹配度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3.3 中能電子繞射(MEED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3.4 實驗超薄膜系統製備方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.4 薄膜晶格結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.1 低能電子繞射(LEED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.5 傑電歐子能譜(AES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.6 Photoemission Electron Microscopy, PEEM 成像原理. . . . . . . . 29
4.7 顯微鏡. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.8 樣品製備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.9 Kerr Microscopy 成像原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.10 磁區探測系統比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5 實驗結果與討論37
5.1 Fe(100) 基板表面清潔. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1.1 歐傑電子(AES) 探測表面清潔狀況. . . . . . . . . . . . . . . 38
5.1.2 低能電子繞射(LEED) 探測退火後表面晶格. . . . . . . . . . 40
5.2 中能電子繞射(MEED) 校正鍍膜速率. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.1 銀鍍膜速率校正. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.2 錳鍍膜速率校正. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3 Fe(100) 磁區透過楔形(wedge) 1 10 ML 銀與錳耦合情況. . . . . . 45
5.3.1 銀鍍在鐵上起始點判斷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.2 鐵與錳耦合情況. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.3 量子井(Quantum Well) 效應. . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.4 檢偏器(analyser) 最佳夾角估計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.5 樣品磁滯曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.6 影像處理結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6 結論57
A 附錄59
A.1 電流流向控制裝置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
B 附錄63
B.1 步進馬達驅動電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
文獻67

[1] H. Luth, Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films (Springer-Verlag Berlin Heidelberg,
2001), 4th ed.
[2] S. Imada, S. Suga, W. Kuch, and J. Kirschner, Surface Review & Letters 9,
877 (2002).
[3] J. Stohr, Y. Wu, B. D. Hermsmeier, M. G. Samant, G. R. Harp, S. Koranda,
D. Dunham, and B. P. Tonner, Science 259, 658 (1993).
[4] S. W. Almadena Chtchelkanova and Y. Ldzer, Magnetic Interactions and Spin
Transport (Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2003).
[5] G.E.McGuire, Auger Electron Spectroscopy Reference Manual (Plenum Press,
1979).
[6] G. Binasch, P. Gr‥ unberg, F. Saurenbach, and W. Zinn, Phys. Rev. B 39, 4828
(1989).
[7] M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. N. Van Dau, F. Petroff, P. Eitenne,
G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988).
[8] P. Grunberg and A. Fert (2007), URL http://nobelprize.org/nobel_
prizes/physics/laureates/2007/index.html.
[9] J. M. D. S. v. M. David D. Awschalom, Robert A. Buhrman and M. L. Roukes,
Spin Electronics (Kluwer Academic Publishers, 2004).
[10] S. Maekawa and U. Gafvert, Magnetics, IEEE Transactions on 18, 707 (1982).
[11] I. Zˇ utic′, J. Fabian, and S. Das Sarma, Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004).
[12] C. Kittel, Introduction to Solid State Physics (John Wiley & Sons, Inc., 2001),
8th ed.
[13] Schneider, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 175, 160 (1997).
[14] J. Giergiel and J. Kirschner, Review of Scientific Instruments 67, 2937 (1996).
[15] D. Jiles, Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (CHAPMAN &
HALL, 1991).
[16] S. B. Howell, Handbook of CCD Astronomy (Cambridge University Press,
2006), second edition ed.
[17] E. Mivehchi, P. Beckley, D. Horrocks, and C. Porter, Magnetics, IEEE Transactions
on 26, 1975 (1990).
[18] W. Szmaja, physica status solidi (a) 194, 315 (2002).
[19] W. Szmaja, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 189, 353 (1998).
[20] W. Szmaja, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 234, 13 (2001).
[21] S. Hope, E. Gu, B. Choi, and J. A. C. Bland, Phys. Rev. Lett. 80, 1750 (1998).
[22] D. Briggs and M. Seah, Practical Surface Analysis (John Wiley & Sons Ltd,
1990), 2nd ed.
[23] Z. Q. Qiu and S. D. Bader, Review of Scientific Instruments 71, 1243 (2000).
[24] R. S. Alex Hubert, Magnetic Domain (Springer-Verlag Berlin Heidelberg,
2000).
[25] R. Mahesh, D. Sander, S. M. Zharkov, and J. Kirschner, Phys. Rev. B 68,
045416 (2003).
[26] E. Zueco, W. Rave, R. Schafer, M. Mertig, and L. Schultz, Journal of Magnetism
and Magnetic Materials 196-197, 115 (1999).
[27] D.-A. Luh, T. Miller, J. J. Paggel, M. Y. Chou, and T.-C. Chiang, Science 292,
1131 (2001).
[28] H. B. Michaelson, Journal of Applied Physics 48, 4729 (1977).
[29] S. Andrieu, M. Finazzi, F. Yubero, H. Fischer, P. Arcade, F. Chevrier, K. Hricovini,
G. Krill, and M. Piecuch, Journal of Magnetism and Magnetic Materials
165, 191 (1997).
[30] 葉明財編譯, 步進馬達活用技術(全華科技圖書股份有限公司, 1995).
[31] 許益適編譯, 步進馬達原理與應用(全華科技圖書股份有限公司, 1994).