Co, Rubrene 混合層在 Si (100) 上成長的磁特性研究

指導教授：

臺灣師大物理系 蔡志申教授

校外指導老師：張丞勛老師

校內指導老師：黃明揚老師

報告學生：高一誠 曹宇華

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摘要 本實驗是在高真空中進行，使用濺鍍的方式將鈷成長到矽(100) 基板上，用蒸鍍的方式將 Rubrene 成長到矽 (100)

基板上。利用原子力顯微鏡 (atomic force microscopy, AFM)

探測出樣品的表面形貌，利用磁光柯爾效應 (magneto-optic

Kerr effect, MOKE) 測量磁性變化。本次實驗中的薄膜樣品，其表面結構皆很平坦，表面粗糙度較低，使得方正度皆很好，並且在較薄的樣品中其矯頑力較為穩定，僅有成長 2

分鐘的薄膜其矯頑力有些微上升，然而飽和磁化量以及殘磁皆會隨薄膜成長的厚度增加而增強。 2

動機有機薄膜電晶體採用有機半導體材料取代現行主要製程的無機矽與氧化物半導體材料，其中最大的不同處在於其具有良好的載子移動率，並且軟性電子材料具有製成便宜、重量輕、成本低廉且多樣化等特質，使有機材料應用在微電子製造成為一個引人注目的話題。 3

為什麼要真空

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真空可以讓樣品保持乾淨，所以在真空環境下可以使研究其表面及制作超薄膜時會更精準。使用超高真空當作環境，表示這個環境的氣體分子極少，目的是降低研究中的誤差。

濺鍍

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用氬離子打到靶材( 鈷 ) 上，靶材的原子成長到樣品上。

薄膜成長

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原子力顯微鏡

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用原子力顯微鏡探測出樣品的表面形貌

磁光柯爾效應

可程

式電

源供

應器

可程式電表

偏振光源

起偏器

檢偏器

光偵測器

電磁鐵

樣品

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利用磁光柯爾效應測量磁性變化

鐵磁性 (ferromagnetism)

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鐵 (Fe) 、鈷 (Co) 、鎳 (Ni) 皆為典型且最常見的鐵磁性材料，在低於居里溫度 (TC ) 時，可測量到磁滯曲線。而在高於 TC 的溫度時，就會消磁而無法量到磁滯曲線。

物質 居禮溫度(°C)

鐵 (Fe) 770

鈷 (Co) 1130

鎳 (Ni) 358

磁滯曲線

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實驗結果與討論 將鈷和 Rubrene 在真空下分別用濺鍍和蒸鍍同時混鍍在矽 (100) 上。這實驗固定的因素有Rubrene 的鍍率 4.1 nm/min ，改變的變因有鈷的鍍率，分別為 7.2 nm/min 和 12.85 nm/min ，和成長薄膜所需的時間，分別為 0.5 分鐘、 1 分鐘、1.5 分鐘以及 2 分鐘。

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Rubrene 4.1 nm/min, Co 7.2 nm/min 混鍍 /Si(100)

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Rubrene 4.1 nm/min, Co 12.85 nm/min 混鍍 /Si(100)

0.5 分鐘

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1 分鐘

Rubrene 4.1 nm/min, Co 7.2 nm/min 混鍍 /Si(100)

Rubrene 4.1 nm/min, Co 12.85 nm/min 混鍍 /Si(100)

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1.5 分鐘

Rubrene 4.1 nm/min, Co 7.2 nm/min 混鍍 /Si(100)

Rubrene 4.1 nm/min, Co 12.85 nm/min 混鍍 /Si(100)

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2 分鐘

Rubrene 4.1 nm/min, Co 7.2 nm/min 混鍍 /Si(100)

Rubrene 4.1 nm/min, Co 12.85 nm/min 混鍍 /Si(100)

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經過 AFM 的探測可以發現，其表面結構皆很平坦，僅有 0.5 min Rubrene 4.1 nm/min, Co 12.85 nm/min 混鍍 /Si(100)此組配方有形成稀疏的特殊三角錐結構 ( 其他表面些微的凹凸為震動到儀器造成 )

AFM 掃描結果

磁光柯爾效應掃出的結果 由於本次實驗之樣品極向的矯頑力太強，所以無法量測出其完整的磁滯現象，因此在本次磁性的研究當中，僅著重在磁化易軸的方向並只展示出縱向磁特性的研究結果及探討。

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Rubrene 4.1 nm/min, Co 7.2 nm/min 以及 12.85 nm/min /Si(100) 混鍍縱向方正度對薄膜成長時間圖

從此圖可見不論是 7.2 nm/min 還是 12.85 nm/min ，其方正度皆不隨薄膜成長的厚度成長而變化，且表面結構皆很平坦，表面粗糙度較低，使得方正度皆很好。

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Rubrene 4.1 nm/min, Co 7.2 nm/min 以及 12.85 nm/min /Si(100) 混鍍 縱向飽和磁化量和縱向殘磁對薄膜

成長時間圖

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從左圖 ( 縱向飽和磁化量 ) 和右圖 ( 縱向殘磁 ) 可見12.85 nm/min 的強度皆比 7.2 nm/min 強，且不論是 7.2 nm/min或 12.85 nm/min ，飽和磁化量以及殘磁皆會隨著薄膜厚度的成長而增加。

Rubrene 4.1 nm/min, Co 7.2 nm/min 以及 12.85 nm/min /Si(100) 混鍍 縱向矯頑力對薄膜成長時間圖

從此圖可看出 7.2 nm/min 的矯頑力比 12.85 nm/min 強，且在較薄的樣品中其矯頑力較為穩定，到 2 分鐘才有明顯上升的趨勢。 20

結論

(1) 不論鈷鍍率為何或薄膜成長的厚度皆不影響其結構的平坦

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結論

(2)由於其表面結構皆很平坦，表面粗糙度較低，使得方正度皆很好

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結論

(3)雖然其結構無變化，飽和磁化量以及殘磁皆會隨著薄膜厚度的成長而增加

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結論

(4) 在較薄的樣品中其矯頑力較為穩定，僅在 2 分鐘時其矯頑力有些微上升

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參考資料

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(1) J. Kuppers, low energy electrons and

surface chemistry, Weinheim, VCH, 1985

(2)D. Jiles, introduction to magnetism and

magnetic materials, London, CHAPMAN

& HALL, 1994