半金属磁性氧化物之能谱研究

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1、半金屬磁性氧化物之能譜硏究黃迪靖・陳駿b、張春富a、吳文斌c、及鍾世俊出玄同步輻射硏究中心&中正大學物理硏究所°彰化師範大學物理系磁性氧化物是硏發未來自旋電子學重要材料之一，半金屬磁性材料是最理想的自旋電子元件的材料。應用自旋解析光電子發射和軟X光吸收磁圓偏振二向性等尖端同步輻射能譜學方法，可以仔細而且深入地探討磁性材料的物理現象及其應用潛力。本文介紹如何以同步輻射能譜學方法，硏究Fe3O4(100)薄膜的電子結構並討論FesOq(100)薄膜的半金屬磁性質。Za,一、刖旨百從物理學家發現高溫超導銅氧化物後,金屬氧化物成爲固態物理重要的硏究材料之一。許多重要

2、且有趣的物理現象,皆源自於電子與電子問的強關聯性，這些現象不但帶給硏究泛函理論(DensityFunctionalTheory)方面的物理學家一大挑戰，而且具有重要的應用價値⑴。例如磁性氧化物是硏發未來自旋電子學重要的材料之一，其中所謂半金屬磁性材料如CrO2及Fe3O4等皆可能具有1()()%自旋極化的導電電子。未來自旋電子學罔，將賴於電子穿隧磁阻現象(TunnelingMagnetoresistance,TMR)的應用，例如在兩個鐵磁薄膜中問夾著一層絕緣層所構成的”自旋閥”(spinvalve)結構中，當兩層鐵磁薄膜的磁矩呈平行排列時，由於電子穿隧效應此

3、元件電子處於導通狀態，當它們是反平行排列時，此元件處於不導通電的狀態。此種現象源自於電子自旋依賴性的穿隧效應，若鐵磁薄膜中導電電子的自旋極化愈大則穿隧效應愈大'因此半金屬磁性材料是最理想的白旋電子源的材料。雖然Fe3O4是人類所認識的”古老”磁性材料之一，但我們對Fe3O4的物理性質並未全然了解。在一個單位晶元的Fe3O4中，三分之一的鐵是Fe3+，而且與周圍的四個氧原子鍵結在一起，一般稱爲A位置的鐵。另外三分之二的鐵則與周圍的六個氧原子鍵結，稱爲B位置的鐵，在B位置的鐵中，一半是Fe2+，一半是Fe3+。A位置的鐵與B位置的鐵的磁矩反平行藕合，因此Fe3O

4、4是陶鐵。Fe3O4具有一個有趣的相變現象，當溫度下降而且低於122K時，Fe：©的電阻値增加兩個數量級，早在六•[-多年前Verwey即提出電荷有序的現象來解釋此種相變，因此我們常稱上述的相變爲Verwey相變。雖然經過多年來的硏究，目前我們對於Verwey相變的由來及其電子態並未完全了解山。另外對於Fe3O4導電機制及其表面的原子結構，物理學家並無共識。Fe?O4的費米能階附近B位置Fe"口旋向下的導電電子決定Fe3O4的導電性質，根據泛涵密度理論並利用局部電荷密度近似(LocalDensityApproximation,LDA)的計算預測，Fe3O4爲

5、半金屬而且其費米能階附近電子爲B位置的Fe2+，而且全部自旋向下⑶，即導電電子的自旋極化是爲100%，然而目前並無任何一個直接的能譜實驗證據支持LDA的計算。本文介紹如何應用尖端同步輻射能譜學硏究磁性材料的方法，硏究Fe3O4(100)薄膜的電子結構，並討論費米能階附近導電電子的自旋極化是否爲10()%?主要介紹電子自旋解析光電子發射及軟X光吸收的磁圓偏振二向性等能譜學原理與實驗方法，因篇幅有限有關詳細儀器設備及硏究實例，請參閱參考文獻⑷。然後討論如何利用用分子束磊晶(MolecularBeamEpitaxy,MBE)的方式成長Fe3O4(1()0)薄膜，並

6、解釋電子自旋解析光電子發射、軟X光吸收的磁圓偏振二向性等能譜實驗結果。二、尖端同步輻射能譜硏究方法磁性現象的基礎物理硏究及未來的口旋電子學，可能將今日的半導體工業帶入另一個新的紀元，欲硏究磁性材料的基礎物理現象，全賴於對其原子排列及電子結構的充分了解。光電子發射能譜學與軟X光吸收能譜學是兩種硏究電子結構的有效而且互補的方法，光電子發射能譜實驗是一直接探討物質電子結構中佔有態(occupiedelectronicstates)的硏究方法，相對地，藉由軟X光吸收能譜學我們可以得到很多關於電子結構中的未佔有態的訊息。近年來同步輻射光源技術已相當進步、成熟，第三代同

7、步輻射光源設施捉供高亮度且偏振性可調整的光源，配合先進的電子能譜技術，尖端同步輻射能譜硏究方法陸續地被硏發成功，例如電子自旋解析光電子發射與軟X光吸收的磁［HI偏振二向性等能譜實驗技術。1.電子自旋解析光電子發射能譜學⑸A.光電子發射原理簡介光電子發射(photocmission)是物質被光照射後激發岀光電子的現象，光電子的能量、動量及自旋方向反應出物質的電子能態，光電子發射能譜學硏究係測量光電子的強度對其能量、動量的分佈，進而探討物質的電子結構⑹，光電子的能量分佈曲線(EnergyDistributionCurve,EDC)的尖峰位置即是電子能借在動量空間

8、裡某一點的能量。嚴格地說，光電子發射是一個複雜的多體