影像式光電子顯微術於磁性薄膜研究的介紹

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1、影像式光電子顯微術於磁性薄膜及微結構研究的介紹文/魏德新、許瑤真摘要探討多層薄膜結構和微區結構的磁特性是近年來很受重視的研究課題。實驗上，藉由調變膜層的厚度或微結構的形狀與大小，一個系統的磁特性可隨之呈現不同的反應o這樣的特徵在實際的應用層面上已具發展潛力。但在探索其物理源由的努力上,則需要有能夠偵測單一元素自旋結構以分辨各個組成成分間不同的反應與耦合。應用已發展成熟的X光吸收能譜技術為基礎,本文簡述近期影像式光電子顯微術在磁性薄膜系統上的研究O—.刖吞在凝態物理中對作用力的描述經常是電了或原子集體行爲的結果。所以，縱

2、使作用力的起源是來自更小尺度的量子現像，其有效作用力的距離卻可以比之大很多。近來，隨著奈米科技的發展，探討系統在微小化或式樣化(patterning)^所出現的特性已成爲許多硏究的焦點。尤其是當系統的大小與相關作用力的尺度相當時，吾人即可以藉由調整和對巨觀的尺寸和幾何形狀來改變系統的特徵表現。近來以巨磁阻(giantmagnetoresistence,GMR)現像爲基礎而得以快速發展的高密度磁儲存工業就是一個成功例-了。基本上，磁性的現象是源自於電了與電了間的交換作用(exchangeinteraction)；由於交換

3、力的存在導致了磁矩呈現有序的排列。所以，在硏究磁性材料時，磁結構與電了結構常需一倂討論。不過，也正因爲電子間的作用力並不侷限於札1鄰的兩個原了，所以將不同磁結構的薄膜以府狀結構堆疊時就會因膜層間的交互作用力而使系統出現多樣化的性質。在應用科學的發展上，以塊材或單一膜層爲主體的硏發較少，而以多府膜紀5構爲主體的硏發較多。其中鐵磁金屬府/非磁性金屬層/鐵磁金屬層(Ferromagnet/Non-magnet/Ferromagnet；FM/NM/FM)三府薄膜結構中發現的震盪式交換耦合(oscillatoryexchange

4、coupling)與反鐵磁層/鐵磁層系統常見的交換偏耦合(exchangebias)等效應爲許多硏究的焦點［1,2］。相對於應用方面的蓬勃發展，在瞭解磁性膜府間直接/間接作用力機制的努力則受限於和關實驗技術必須能分辨單一層別或材料的磁訊號而進展較爲緩慢。至於在有關磁區(magneticdomain)在多層膜系統中所可能扮演的角色則是要到近幾年和關實驗技術逐漸成熟後才有較多的實驗報告［3・5］。軟X光吸收能譜術爲一已知具有元素艦別力的有效工具。當使用的光源具有左/右旋偏振性時，就可以利用磁性物質對偏振光源的吸收截面效率爲

5、其磁化向量(M)和光偏振向量(b)的函數來進一步獲取物質的磁性質，如軌道磁矩等。這就是所謂X光磁圓偏振二向性(X-raymagneticcirculardichroism,XMCD)［6,7］。再進一步，若是將物質吸收光了後發射出來的二次電了訊號強度依發射位置記錄下來，那麼就能以磁圓偏振二向性爲對比的機制而分辨不同元素的磁區分佈。利用X光的穿透性，並考慮因吸收而造成的電了發射時電了的逃脫深度(escapingdepth)，軟X光吸收能譜術有5〜1()nm的探測深度，極適合超薄膜的相關硏究。二、影像式光電子顯微術(Pho

6、toemissionElectronMicroscopy,PEEM)就儀器本身而言，PEEM的成像機制類似於光學顯微鏡。樣品經光了照射後產牛的訊號藉由透鏡加以成像並放大觀察。不同的是光電子顯微鏡是使用電了透鏡且其訊號源是電子而非光子o故光電子顯微術屬於“光子進■電子出”的技術。由於其用以成像的電子是樣品吸收同步輻射光源後所放射出來的二次電子，PEEM屬於發射式(emissiontype)顯微術的一種°圖一是PEEM顯微鏡成像的示意圖。在放射式顯微術的解F析Ne*(行力方面，藉由X■光吸收所產E+lVfJ生的二次電子能

7、量分佈可以來表示。其所涵蓋的能量範圍寬且發射角度並無限制，故顯微鏡的解析力會因訊號源的色像差及透鏡的球面像差而降低。爲了提高顯微鏡的解析能力，可以在物鏡的背聚焦面(backfocalplane)沿光軸放置孔徑(aperture)以選擇顯微鏡接收電子的能量和入射角度。目前，位於新竹同步輻射硏究中心的影像式光電了顯微鏡有數個以壓電材料控制位置的孔徑(contrastaperture,1000pm〜30pm)依實驗所需來調整訊號強度和影像解析度。在使用最小的30屮n孔徑時，影像可達100nm以下的解析能力［8］。電子透鏡組成

8、像模組(將電子轉換成可見光)成像於螢幕上左/右旋偏振x光孔徑圖一：影像式從影像中依區域不同而撷取出相對應的吸收光譜是PEEM以同步輻射爲光源時的一個特色。隨著光子能量的改變，樣品中的元素在其所對應的光了•吸收峰時射出的二次電了數目與其吸收的光子強度成正比。所以，分析一系列隨光子能量變化時由CDD相機記錄的影像，即可從影像強度的強弱