以電化學方法研究Co/Cu(111)薄膜結構與磁特性

Investigations of surface structures and magnetic properties for Co/Cu(111) by electrochemical methods

魏淑宜(Shu-Yi Wei)

指導教授 ： 蔡志申

國立臺灣師範大學/理學院/物理學系/碩士(2006年)

摘要

摘要
本實驗是利用電鍍方式在單晶銅(111)電極上成長鈷薄膜，同時使用循環伏安法(Cyclic Voltammetry)、電化學掃描式電子穿隧顯微鏡(EC-STM)、電化學磁光柯爾效應系統(EC-MOKE)來研究單晶銅(111)上所成長鈷薄膜的表面特性與結構以及磁特性。
以循環伏安法檢測，單晶銅(111)電極在 1 mM HCl電解液中的電化學過程，我們發現典型的電流成對峰值：氯離子的吸附、退吸附峰分別在E = -325 mV和E = -600 mV (vs Ag/AgCl)。正常而言如果是在電流數量級較小的實驗(ex. Nano Ampere) 系統開始產生氫氣以後電流就會一路往下。因此在-650 mV 後有質子的還原2 H+ + 2e- → H2。而在 0 mV 的氧化還原電流分別代表銅的溶解及再沉積
Cu + 2 Cl- ? CuCl2- + e-，再將電解液換成1 mM CoCl2/1 mM HCl 會造成氯離子氧化還原峰值移動：E = -660 mV and E = -550 mV (vs Ag/AgCl)。
進行STM實驗時用鹽酸修飾電極表面，利用氯離子與銅電極間的化學鍵結將形成一高規則度的(√3 ? √3)R30°結構，其將降低銅電極的表面能量，氯離子對銅有很強的鍵結力，具有修飾銅(111)電極表面平台及台階的效用。當電位改變往負極方向循序漸進時，可以觀察到氯離子對銅(111)電極的溶解現象，氯離子與銅電極鍵結後，在銅電極表面上較不穩定的島狀物或缺陷處形成CuCl2-化合物，並將銅原子從電極表面拔除，隨時間的變化，CuCl2-化合物會在電極表面上較穩定的區域，重新將銅原子填回載體，這也是為何實驗進行前我們會在-100 mV ~ -500 mV左右掃CV 10~15分鐘，這樣可以得到穩定良好的銅(111)電極表面。隨著往更負電位前進我們可以觀測銅(111)電極表面有一溶解的情形，隨時間變化，由台階邊緣往平台方向逐漸溶解，所以台階會變成圓形波浪狀且有很高的銅移動性(mobility和UHV類似)，相反地，當我們將電位再調回陽極方向更正的電位時會重回氯離子的形態，且電位愈正台階形狀和表面型態皆會趨於穩定。而台階高度在所有觀察電位皆是0.2-0.18 nm。而鈷經過長時間(約20分鐘)的沉積後，會形成單原子多層結構和UHV相似的是在鍍多層後，因為有grain boundary 的存在阻礙了在後續成長的薄膜期間鈷團的結合，所以不會形成一個均勻連續的薄膜表面，經由STM的觀察可以發現，鈷原子吸附在單晶銅(111)電極上，並沒有單層鈷原子的吸附(沒有發現UPD)，鈷膜的成長模式是以鈷原子本身自己聚集形成島狀物的模式成長。
基本上隨著電鍍時間增加膜厚也有增長的趨勢，但是超過十分鐘後因為溶液中鈷的含量分佈不均勻，靠近電極表面的地方，鈷離子的濃度遠小於溶液中的濃度，會導致擴散(diffusion effect)行為，使得鈷離子由濃度高處往低處移動。因此擴散效應影響了鈷原子吸附至銅(111)電極表面導致鍍鈷的速度會隨著時間的增加而變慢，所以CV上沒有明顯變化。另外在此電位下停頓已有氫氣放出，所以停頓愈久氫氣愈多(樣品拿出後有看到氣泡)，這也會影響鈷在銅上的鍍率。配合前面的CV和STM結果，我們可以確信鈷離子會於電位-850 mV開始沉積於單晶銅(111)電極上(Co2++2e-→Co)，所以電位-850 mV的狀況下單晶銅(111)電極表面上所沉積的鈷膜經由EC-MOKE觀察出具有磁性現象。到目前為止我們只知道HC似乎是維持在一個範圍之內，但有略為上升的趨勢，配合STM圖像可看出表面結構沒有太大改變但是因為是三維成長所以表面的形態有變亂的跡象，不過MR卻是持續穩定增加。

關鍵字

電化學 ； 循環伏安法 ； 電化學掃描式電子穿隧顯微鏡 ； 電化學磁光柯爾效應系統

並列摘要

無資料

並列關鍵字

EC ； CV ； EC-STM ； EC-MOKE

參考文獻

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