3d过渡金属超薄膜及其合金之磁性

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1、3d過渡金屬超薄膜及其合金之磁性郭建成、林敏聰國立台灣大學物理系磁性超薄膜中的磁性，像是磁異向性，居禮溫度，以及自旋轉向轉變等特性，對於薄膜的生長條件、厚度以及在合金中的成分比例等參數都很敏感。我們利用超高真空腔對這些效應做了一系列詳細而且有系統的研究。在這些研究中，我們發現薄膜的居禮溫度對其表面的形貌非常地敏感。此外，我們在對鈷鎳合金的研究中發現由合金成分改變所導致的自旋轉向相變。在一連串的分析中顯示，鈷鎳合金中鈷的成分對此合金的自旋轉向相變有很大的影響。這些磁性行為的演變可以歸因為晶格結構或形貌的變化，以及這些

2、合金中3d電子對磁異向性的影響。■561■物理雙月刊（廿二卷六期）2000年12月一、簡介磁學原理與磁性材料的應用，在現在科技的進步中，扮演著關鍵性的角色。從電腦中硬軟碟、磁性偵測器的發展，到最近很熱門的磁性記憶體MRAM，都在整個推動科技進步的過程中，佔有舉足輕重的地位。在最近這幾年來，隨著技術的進步與需要，磁性超薄膜(magneticultrathinfilm)的相關性質，已經引起廣泛地注意與研究。這主要是由於在這樣的系統之中，因為維度縮減與對稱破壞的緣故，使得原本良好的對稱性受到相當大的影響，其晶格結構與磁性

3、都與在塊材(bulk)中、甚至於一般的薄膜中都不相同。舉個例子來說，在很多磁性超薄膜中，會發生所謂的自旋轉向的轉變(Spin-ReorientationTransition,SRT)，這是與一般塊材中的性質大不相同的。我們將在下面做更進一步的討論。此外，對於鐵、鈷、鎳三種所謂的3d過渡金屬來說，其磁性的產生主要是由於這三種金屬中的3d電子能帶分裂、造成兩種自旋的電子數目不同所致。而3d電子能帶由於分佈在金屬原子的外圍，所以特別容易受到周圍環境的影響。在超薄膜金屬中，如前所述，其晶格結構不同於塊材且對外界環境格外敏感

4、，也因此而顯現出很豐富的現象。同時，由於一般薄膜的成長，都是將薄膜鍍在基座(substrate)上，如果薄膜在基座上，是以所謂磊晶(epitaxy)的方式成長的話，它一開始將會以和基座的晶格排列相同的方式成長。因此人們可以利用一個和薄膜的自然狀態下晶格常數不同的基座來製造一個在自然狀態下不存在的薄膜。以鐵為例，其自然狀態下為體心立方的結構，只有在很高溫的情況下它才可能形成面心立方的結構，但是在厚度沒有很厚的情況之下，它卻能以面心立方的結構長在銅的基座上。■569■物理雙月刊（廿二卷六期）2000年12月此外，磁性超

5、薄膜的磁性還和薄膜所處的環境，如成長溫度或鍍膜後的熱處理，有很大的關係。以Fe/Cu(100)的超薄膜來說，其磁性對於在室溫生長的薄膜就和在低溫生長的薄膜有很大的差異。同樣的，對於Co/Cu(100)的超薄膜，我們也發現不同的鍍膜溫度的薄膜，其居禮溫度呈現顯著地變化，高溫鍍之薄膜，其居禮溫度甚至只有低溫鍍之薄膜的一半。若對已鍍好的超薄膜進行熱處理(annealing)，也會對薄膜的磁性產生很大的影響。當我們對Co/Cu(100)薄膜做熱處理後，發現對其居禮溫度的影響類似於改變鍍薄溫度，而且最後的居禮溫度也降到和在高

6、溫鍍的薄膜一樣的大小。此外，對Co/Pt(111)的超薄膜進行熱處理後，我們發現其磁光效應卻大為提昇，甚至會大到處理前的三倍【1】。可見對於超薄膜的系統，鍍膜後的熱處理不僅對其磁性有很大的影響，而且其影響也會隨著不同的系統而有所不差異。圖一、多功能超高真空腔。除了鐵、鈷、鎳單一元素的超薄膜之外，由這三種元素所組成的合金超薄膜，也是一個很有趣的課題。主要是如前所述，這三種元素的電子組態非常地接近，只差一個外圍的3d電子，而且我們可以令其生長在基座上以使整個合金能夠長成和基座相同的晶體結構，所以只要能準確而有效地控制合

7、金的比例，將可以藉此來研究3d電子的數目改變對此類磁性超薄膜磁性的影響。我們發現對於CoxNi1-x/Cu(100)合金超薄膜來說，只要改變鈷的比例一點點，就會對其自旋轉向轉變的臨界厚度，產生極大的影響。甚至只要x大於0.1後，原本屬於鎳特有的自旋轉向轉變就觀察不到了。要達到精準地控制超薄膜的條件並做細微地調整，同時能夠分析其磁性與晶體結構間之關聯性，就必須仰賴一個多用途的超高真空腔。圖一為我們在台大物理系表面磁學實驗室所建立起來的多用途超高真空腔，其中結合了鍍膜、結構分析與磁性量測等設備以使整個超薄膜從生長一直

8、到量測完畢，都保持在相同的環境條件之下進行。在這篇文章中，將簡單地介紹鐵、鈷、鎳這三種傳統的鐵磁性材料生長在銅(100)基座上的超薄膜之磁性。此外，我們將進一步地探討利用改變薄膜生長條件、鍍膜後的熱處理等條件來觀察這些條件的改變對磁性的影響。同時，也將討論如何應用精確調整合金比例的技術來研究合金比例和鈷鎳超薄膜的磁性之間的關連。■569■物理雙月刊（廿二卷六