https://scholars.lib.ntu.edu.tw/handle/123456789/31954
DC 欄位 | 值 | 語言 |
---|---|---|
dc.contributor | 許仁華 | en |
dc.contributor | 臺灣大學:物理研究所 | zh_TW |
dc.contributor.author | 簡崇欽 | zh |
dc.contributor.author | Jian, Chung-Chin | en |
dc.creator | 簡崇欽 | zh |
dc.creator | Jian, Chung-Chin | en |
dc.date | 2004 | en |
dc.date.accessioned | 2007-11-26T09:14:51Z | - |
dc.date.accessioned | 2018-06-28T09:38:20Z | - |
dc.date.available | 2007-11-26T09:14:51Z | - |
dc.date.available | 2018-06-28T09:38:20Z | - |
dc.date.issued | 2004 | - |
dc.identifier | zh-TW | en |
dc.identifier.uri | http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/54477 | - |
dc.description.abstract | 摘要 以半金屬作為電極的磁性三層節(MTJ)系統在磁性記錄方面有很大的應用潛力,因為半金屬具有很高的自旋極化率,預期可提高磁性三層節的TMR值。然而,在半金屬的材料當中,又以Fe3O4最具應用價值,因為它具有很高的居理溫度( ~ 856 K)。但是至今仍未發現以Fe3O4當電極而得到很高的TMR值的磁性三層節系統 。可能是帶有自旋的電子在穿隧過程當中在接面處發生了自旋翻轉,以及MTJ系統中間的氧化絕緣層和Fe3O4之間在接面處的作用,降低了Fe3O4本身的自旋極化率。這些都很有可能造成降低MTJ系統 的TMR值。 本實驗中,嘗試以Fe3O4作為MTJ系統中的電極,所研究的MTJ系統是Co/ CoO / Fe3O4 及Fe3O4 / AlOx / Co,兩系統為相同的電極,但不同的中間絕緣層,分別是反鐵磁性絕緣體CoO及一般非磁性絕緣體AlOx,目的是拿來做比較。首先對MTJ兩邊的電極做基本電性和磁性的研究,之後主要工作就是研究中間氧化絕緣層的形成條件,這部份同時也是實驗中最具困難度的地方。另外,使用四點量測法量測MTJ時,發現量測到負電阻現象,這是因為在Junction接面處電極的電阻比MTJ的電阻來的大或是兩者電阻數量級一樣大時,所造成在接面處電流分佈不均勻的效應。要解決這個問題,就必須提高中間絕緣層的性質,如提高氧化的緻密程度、減少雜質比例及提高熱穩定度等,或是降低電極的電阻來拉開電極和MTJ電阻之大小差距。利用兩點量測法可基本先測得電子在MTJ的穿隧情況,若是有非線性三次方的I – V曲線結果,就表示中間有緻密的氧化絕緣層而形成電子穿隧的位勢障。另外,可將I - V結果fitting之後,透過Simmons’s rule而得知位勢障的寬度和高度。本實驗中,為了要降低內層接面的不平整所造成的氧化層難以覆蓋緻密對MTJ所造成的重大阻礙,所以嘗試將MTJ的接面面積縮小希望能到μm2-size的大小,如此預測可提高內層接面之平整度,同時亦可減少絕緣層中的雜質比例。實驗過程先學習使用電子微影術(E-Beam lithography)的技術,過程中先研究磁性Co薄膜的顆粒陣列性質,而Co薄膜顆粒直徑最小可達450nm。 | zh_TW |
dc.description.abstract | Abstract Magnetic trilayer junctions(MTJs) based on half metallic oxides have attracted much attention because of their potential in memory and logic device applications. Among half metallic materials, the magnetite(Fe3O4) is the most promising candidate due to its high ferrimagnetic Curie temperature(~856K). And an enhanced TMR effect has been expected for this sort of MTJ. However, up to now, the MR effect of MTJ with Fe3O4 as an electrode has been found to be negligibly small. Several causes have been speculated to explain the reduction. For examples, the spin flip processes on the interface would have a deleterious effect on the MR. A less-than ideal insulating barrier containing impurities and defects would also lead to spin scattering. In order to explore the major origins of reduction in MR, we have systematically investigated the TMR of MTJs prepared under various conditions. Our MTJs consist of Fe3O4 and Co as the electrodes sandwitched with cobalt oxide and AlOx thin layers as the tunneling barriers for comparison. The choice of Fe3O4 and Co as the electrodes is due to a large difference of coercivities from these two magnetic layers. Besides, a thin oxide layer can be directly obtained from oxidation of the metal layer right after deposition of the metal, where metals are Co and Al, respectively. We have adopted different oxidation time to acquire tunneling barrier of various thickness. Thus, the impact of tunneling barrier on TMR can be evaluated. Furthermore, since the polarization of Fe3O4 has been predicted to be negative, the inverse MR will be also studied. In Our MTJs, the resistance of electrode Fe3O4 is too large compared to the junction’s, then it would cause nonuniform current distribution over the junction area. Thus, negative resistance will be obtained by using four-probe measurement. We try to reduce the junction area from mm2-size to um2-size to pursuit a uniform coverage of the barrier on the electrode in MTJs. For this purpose, we learn to use E-beam lithography technique to make um2-size magnetic films. We also fabricate hundreds of nm size Co dot arrays to investigate its properties. | en |
dc.description.tableofcontents | 目錄 第一章 緒論 1 1-1材料特性 3 1-1.1 關於Fe3O4之介紹 3 (1) 晶體結構 4 (2) 電性 4 (3) 磁性 6 (4) 磁阻 7 (5) 極化強度 8 1-1.2 關於Co之介紹 9 (1) 基本磁性質 9 (2) 微小奈米尺度的磁性質 10 (3) 其他相關Co薄膜性質 11 1-2 其他相關文獻 14 1-2.1 利用Fe3O4作為電極的穿隧式磁阻( TMR )系統 14 1-2.2 負電阻的TMR junction系統 19 1-3 研究動機 21 第二章 理論背景 23 2-1 Simmons’s 理論模型 23 2-2 Julliere’ s model 26 2-3 在兩鐵磁性薄膜之間的自旋極化穿隧效應 27 2-4 關於Exchange Bias的基本理論 33 第三章 實驗設備及步驟 38 3-1 實驗流程 38 3-2 薄膜製備 39 3-2-1 Fe3O4薄膜的製備 39 3-2-1.1 靶材製備 39 3-2-1.2 基礎真空 39 3-2-1.3 加熱 40 3-2-1.4 薄膜濺鍍 40 3-2-2 Co薄膜製備 40 3-2-3 CoO超薄膜製備 42 3-2-4 AlOx超薄膜的製備 42 3-3 樣品鑑定 42 3-3-1 X-ray薄膜晶體結構鑑定 42 3-3-2 薄膜厚度量測 44 3-3-3 AFM表面型態鑑定 45 3-3-4 SEM樣品表面微結構鑑定 47 3-3-5 Auger表面化學成分分析 49 3-4 樣品電性量測 52 3-4-1 四點量測法量測電阻 52 3-4-2 I-V 量測 53 3-4-3 R-T量測 53 3-5 磁阻量測 54 3-6 磁性量測 54 3-7 電子微影術 55 第四章 實驗結果與討論 62 4-1 單層薄膜( single layer ) - Fe3O4 62 4-1-1 晶體結構鑑定 62 (1). 不同厚度 62 (2). 不同面積及形狀 64 (3). 不同基板之影響 64 4-1-2 薄膜電性分析 66 (1). R – T 關係 66 (2). I – V 關係 72 4-1-3 磁阻分析 73 4-1-4 磁性分析 82 4-1-5 其他Fe3O4性質 85 4-2 單層薄膜( single layer )- Co 90 4-2-1 晶體結構鑑定 90 4-2-2 VSM磁滯曲線 90 4-2-3 奈米尺寸的Co顆粒陣列薄膜 93 4-3 雙層( bi-layer )及三層( tri-layer )結構的薄膜 103 4-3-1 雙層薄膜系統 – ( Co / Fe3O4 ) 103 4-3-2 三層薄膜系統 – ( Co / CoO / Fe3O4 ) 105 4-3-3 三層薄膜系統 – ( Fe3O4 / AlOx / Co ) 111 第五章 結論 115 參考資料 118 圖目錄 圖1-1成長在MgO(100)基板上之不同厚度的Fe3O4薄膜的電阻與溫度關係圖。插圖顯示Fe3O4的Tv與薄膜厚度關係。 5 圖1-2 Fe3O4的自旋排列示意圖。 7 圖1-3 Fe3O4分別成長在基板MgO(100)及SrTiO3時的磁阻隨溫度變化關係圖。插圖中表示T=123K時的磁阻曲線。 8 圖1-4直徑 = 150 nm,厚度 = 7 nm的圓形Co顆粒陣列。(a)圖為表 面型態;(b)圖為MFM的磁影像,顯示各顆粒並沒有一定的磁化方 向。 12 圖1-5尺寸250 nm x 140 nm,厚度7 nm的橢圓形Co顆粒陣列。(a) 圖為表面型態;(b)圖為MFM的磁影像,顯示大部分顆粒的磁化方向 皆沿著長軸方向。 12 圖1-6系統Co(120Å)/CoO(25Å)在外加磁場2000Oe之下,加磁場冷 卻 ( field cooling )至不同溫度270K、160K、80K及5K所得到不同磁 滯曲線,可觀察隨溫度降低而圖形逐漸向左偏移的exchange bias現 象。 15 圖1-7 兩個系統s2:Co(56Å)/CoO(25Å)及s3:Co(87Å)/CoO(25Å)的 -HEB及Hc隨溫度變化的曲線。插圖為s3系統,顯示在TB = 186 K以下會突然先具有微小正的HEB再開始產生負的HEB。 15 圖1-8 系統MgO/CoCrO4(800Å)/Fe3O4(400Å)/MgO(40 Å)/Fe3O4(400 Å)不同溫度之下的磁滯曲線,隨溫度下降,上下兩電極的HC有逐漸分開趨勢。 17 圖1-9 同樣圖1-8系統之三個不同溫度300K、200K及150K的電阻對外加磁場關係的MR圖形。最上面左邊插圖顯示Junction的面積為2x4μm2;右邊插圖為溫度200K之下Junction的導電性(dI / dV)隨bias(V)的關係圖,顯示確有電子穿隧的效應。 17 圖1-10 理論模擬及實驗數據的MR(%)對量測電阻RM的關係圖。 插圖顯示量測Junction電阻和實際Junction電阻的關係圖。 Junction的面積為0.25mm2。 22 圖1-11 MR(%)及兩電極磁矩方向同向時的Junction電阻和Junction面積的關係圖。 22 圖2-1 中間夾有絕緣層的兩金屬電極一般模型圖。 23 圖2-2 兩電極FM1與FM2中間夾有barrier的示意圖,(a)FM1與FM2磁化方向相同;(b) FM1與FM2磁化方向相反。 26 圖2-3 TMR與自旋翻轉率γ的關係圖。 31 圖2-4 基本Exchange Bias模型的示意圖。 34 圖2-5在不同溫度區間時,Exchange Bias作用對磁滯曲線影響的關係圖。 36 圖3-1真空濺鍍腔體裝置圖。 41 圖3-2 X-ray繞射裝置圖。 43 圖3-3α- step量測示意圖。 44 圖3-4原子間凡得瓦力與原子間距離關係圖。 46 圖3-5 AFM 工作原理圖。 46 圖3-6 SEM之電子及X光光學構造示意圖。 47 圖3-7 SEM儀器照片。 48 圖3-8 X-ray 效應裝置圖。 49 圖3-9連續和不連續X-ray光譜圖。 50 圖3-10 (a) X-Ray輻射;(b) Auger 效應示意圖。 51 圖3-11 Auger效應儀器基本結構圖。 51 圖3-12 四點量測法示意圖。 52 圖3-13 VSM儀器裝置圖。 56 圖3-14 VSM線圈中感應電動勢之示意圖。 56 圖3-15 EBL結合蝕刻流程示意圖。 57 圖3-16 EBL結合舉離流程示意圖。 58 圖4-1成長在Si(100)基板,面積5mmx10mm之不同厚度之Fe3O4薄膜的XRD繞射圖形。 63 圖4-2成長在Si (100)基板上,厚度相同(350nm)但面積形狀不同之 Fe3O4薄膜之XRD圖形。 65 圖4-3成長在Si (100)基板上,面積相同(0.5mmx10mm)但厚度不同之Fe3O4薄膜之XRD圖形。 65 圖4-4成長在不同基板Si(100)及glass,厚度同為300nm之Fe3O4薄膜的XRD圖形。 67 圖4-5大面積( 5mmx10mm )的不同厚度Fe3O4薄膜之R-T關係圖。 基板為Si(100)。 69 圖4-6細條形狀( 0.5mm x 10mm )的不同厚度Fe3O4薄膜之R-T關係圖。基板為Si(100)。 70 圖4-7細條形狀( 0.3 mm x 1 0mm ),成長在不同基板Si(100)及glass的Fe3O4薄膜之R-T關係圖。薄膜厚度為300nm。 70 圖4-8不同電阻大小的Fe3O4薄膜I-V曲線。插圖所表示為導電性(dI / dV)對bias( V )的關係圖。基板為Si(100)。 74 圖4-9不同電阻大小的Fe3O4薄膜I-V曲線。插圖所表示為導電性(dI / dV)對bias ( V )的關係圖。基板為Si(100)。 75 圖4-10不同電阻大小的Fe3O4薄膜I-V曲線。插圖所表示為導電性(dI / dV)對bias ( V )的關係圖。基板為glass。 76 圖4-11不同厚度之Fe3O4薄膜的室溫下MR曲線。 薄膜面積5mm x 10 mm,基板為Si(100)。 79 圖4-12不同厚度之Fe3O4薄膜的室溫下MR曲線。薄膜面積0.2 mm x 10 mm,基板為Si(100)。 80 圖4-13成長在不同基板之Fe3O4薄膜的室溫下MR曲線。 薄膜面積0.2 mm x 10 mm,厚度為300nm。 81 圖4-14不同厚度Fe3O4薄膜的磁滯曲線。 84 圖4-15剛濺鍍完成(as-made)之Fe3O4薄膜I-V曲線。插圖表導電性(dI / dV)與bias ( V )之關係圖。 86 圖4-16放置六個月後之Fe3O4薄膜I-V曲線。插圖表導電性(dI / dV)與bias ( V )之關係圖。 86 圖4-17剛濺鍍完成及放置六個月之後的Fe3O4薄膜XRD圖形。薄膜厚度350 nm,面積5mmx10mm,基板為Si(100)。 88 圖4-18放置六個月之後的Fe3O4薄膜MR曲線。薄膜厚度350 nm,面積5mmx10mm,基板為Si(100)。 89 圖4-19不同厚度的Co薄膜XRD圖形。 91 圖4-20 Co薄膜的HC與厚度的關係曲線。 92 圖4-21 Co薄膜顆粒陣列的SEM影像。在不同PMMA烘烤溫度所得到的Co薄膜。(a).120℃下烘烤;(b).160℃下烘烤。 95 圖4-22 Co薄膜顆粒列的AFM影像。在不同電子束電流所得到的Co薄膜。(a)電流 = 50 pA;(b).電流 = 20 pA。 95 圖4-23 Co薄膜顆粒陣列的SEM影像。在不同dwell time下所得到的Co薄膜。(a).dwell time = 150000;(b). dwell time = 300000; (c). dwell time = 400000。 97 圖4-24 Co薄膜顆粒陣列的SEM影像。在不同圖案下所得到的Co薄膜。(a).圖案設計為point之陣列;(b). 圖案設計為長700nm之線段陣列。 99 圖4-25 Co薄膜顆粒列的AFM影像。在不同顯影時間所得到的Co薄膜。(a)顯影時間150秒;(b).顯影時間70秒。 99 圖4-26 Co薄膜顆粒陣列的AFM影像分析。(a).表面分析;(b).3D立體分析;(c).高度及寬度分析。 102 圖4-27上圖為雙層節系統Co / Fe3O4的VSM磁滯曲線,磁場分別(a)平行Fe3O4;(b) 平行Co。下圖為其幾何示意圖,Co(Fe3O4)面積為0.5mmx10mm。 104 圖4-28 放置12個月後的雙層節系統 Fe3O4 / Co的I-V曲線 (a)單層膜Co的I-V曲線;(b)單層膜Fe3O4的I-V曲線;(c)雙層膜Fe3O4 / Co的I-V曲線。插圖為導電性(dI/dV)對bias(V)之關係圖。 106 圖4-29 exchange bias系統Co / CoO的磁滯曲線隨溫度變化關係圖。 108 圖4-30不同溫度及加O2條件下exchange bias系統Co / CoO的 -HE對溫度T的關係圖。 109 圖4-31不同溫度及加O2條件下exchange bias系統Co / CoO的HC(ave.)對溫度T的關係圖。 109 圖4-32不同溫度下在Co表面生成CoO所得之Auger縱深元素化學成分分析圖。 110 圖4-33 Fe3O4 / AlOx / Co系統的I –V關係圖。插圖表示導電性(dI/dV)與bias ( V )之關係圖。 113 圖4-34系統Co / CoO / Fe3O4之示意圖。(a)為俯視圖;(b)為側視圖。 114 圖4-35系統Fe3O4 / AlOx / Co 之示意圖。(a)為俯視圖;(b)為側視圖。 114 表目錄 表1-1 系統Co/CoO(25Å)中,不同厚度的Co( dCo )所得到的矯頑磁場 HC1、HC2、HC平均值及HEB。 13 表3-1 一些常用的電子束阻。 59 | zh_TW |
dc.language | zh-TW | en |
dc.language.iso | en_US | - |
dc.subject | 磁性穿隧效應 | en |
dc.subject | Magnetic Tunneling Effect | en |
dc.title | 三層節系統Co/CoO/Fe3O4及Fe3O4/AlOx/Co之磁性穿隧效應的研究 | zh |
dc.title | Magnetic Tunneling Effect in Co/CoO/Fe3O4 and Fe3O4/AlOx/Co Junctions | en |
dc.type | thesis | en |
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