中正大學物理學系學位論文
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沙堆模型原代表自組臨界現象理論中的一個例子，即無調整參數系統可呈現冪次行為。多年前有學者提出驅策率與耗散率可視為沙堆模型中之調整參數，並預測冪次行為可以用驅策率與耗散率為調整參數。本論文以有調整參數系統的觀點來探討沙堆模型的驅策模式對於其臨界現象的影響。首先藉由一廣義的Manna模型可以模擬出OFC模型，BTW 模型，與原始Manna模型，但我們知道在無調整參數系統條件下，此三模型普適性完全不相同。接著我們研究此一廣義化模型普適函數的形式，利用不同的添加率(driving rate)與耗散率(dissipation rate)，研究驅策模式的不同，對於臨界現象的影響，並以簡單尺寸律和多重尺寸理論分析臨界行為。最後我們發現良好的尺度律，因此我們認為以廣義的Manna模型替代個別特定模型，並研究其與可能的調整參數之關係不失為一個研究自組臨界現象的一有潛力方向。
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奈米碳管(carbon nanotube, CNT)在1991年時意外在電弧放電法(arc-discharge method)中發現，因為奈米碳管的許多特性，讓科學家們在近20年內爭相討論，而對於改善燃料電池碳載體，以提昇其發電電效率的我們也不例外。 在翻閱了眾多論文與書籍後，發現目前化學沉積平台(chemical vapor deposition, CVD)是最簡易的成長方式，但不能在成長的同時控制其整體結構，為此，本文利用脈衝雷射沉積平台(pulsed-laser deposition, PLD)改善此缺點，脈衝雷射沉積平台不儘可以控制其成長位置，也能在成長的同時控制奈米碳管的結構。 目前尚未有人在脈衝雷射沉積平台中成長出奈米碳管，因此試著成長出奈米碳管成為本文的重點。本文將分為兩大目標做討論，第一是成長奈米碳管前所需要的催化劑，第二是利用此催化劑成長奈米碳管。
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廣視野螢光顯微術在生物影像觀測上為一重要量測工具，本系統另外加入二維結溝光照明後突破繞射極限，大幅提高解析度，也具有良好的切片能力，因此在觀測生物樣品時能夠非侵入式的量測，不破壞樣品本身的結構。 在此次的研究中，以本實驗技術觀察真實生物樣品，藉由超高影像解析度分辨蛋白質之間的相對位置，提供資訊幫助生科所的團隊能夠近一步了解蛋白質對人體的影響。 經過量測，系統橫向解析度為136 nm，縱向解析度約為400 nm。而在拍攝標準生物樣品的時間僅需10秒。經過程式處理得到超高解析度影像只需6秒。而在長時間的拍攝生物樣品時，系統的定位準確度可達1pixel。 而在厚樣品的處理上，使用立體疊圖的方式來觀測細胞核膜邊界的形貌，藉以提高辨識度。
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我們在乾淨、良好重構的Si(100)-2×1表面上使用STM可以觀測到三種缺陷(Type A、B、C)，將其整理分類後，再來與磊晶少量金原子的Si(100)-2×1表面上的結構做比較，藉以將金原子沉積在Si(100)-2×1表面所引發的結構區分出來。 我們在600˚C磊晶金3秒、6秒、12秒、24秒、60秒，可看到missing dimer defects生成，並有連結排列成列的趨勢。將磊晶後的表面放置一天後可看到Type C缺陷的生成，以400˚C左右的溫度加熱可除去Type C缺陷但也看到一個新結構的生成。另外，當磊晶金達60秒時，連成線的missing dimer defects會將2×1切開，形成8×2重構面。
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層間交換耦合（interlayer exchange coupling,IEC）的效應源自於兩個磁性層間插入一個非磁性間隔層的結構，其在自旋電子器件的研究中具有基本的物理及廣泛的實際應用。人工反鐵磁（synthetic antiferromagnetic,SAF）結構由於層間交換耦合的效應，一直被成功地運用於磁性感測器和磁性隨機存取存儲器元件中。近年來，具垂直磁異向性（perpendicular magnetic anisotropy,PMA）的多層膜被運用於低微度記憶元件時，因為其具有相當大的強磁穩定性、高信息密度優勢、開關的可靠性而備受關注。因此，具有層間交換耦合效應的人工反鐵磁結構，其應用目標便為垂直式的磁化自旋閥或磁隧道結。 然而具垂直磁異向性的人工反鐵磁結構，其結構、磁性及界面特性明顯不同於水平磁異向性。我們展開對MgO/CoFeB/Ru/CoFeB/MgO 垂直人工反鐵磁結構的綜合研究，以實驗證明層間交換耦合的行為和CoFeB厚度是非常相關的。我們也研究相關的介面效應影響，如死層厚度和CoFeB/Ru與Ru/CoFeB介面之間的差異對人工反鐵磁結構的層間交換耦合行為。這些實驗結果將提供有用的信息使得垂直磁電阻器件的設計具有更好的磁性能和熱穩定性。
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摘要 近年來電流翻轉效應在垂直式磁性穿隧結應用於MRAM備受矚目，然而電流翻轉機制與材料的關係還未清楚，因此我們製備了三組改變上層Ta厚度的上結構樣品，MgO/CoFeB(1.3 nm)/Ta(1, 1.25, and 5 nm) 並且進行蝕刻成Hall bar元件，進行一連串電性量測： (a)異常霍爾效應量測： 改變電流密度進行R-H曲線比較，發現翻轉場與形狀隨著電流密度有系統化的改變。 (b)趨近水平磁場異常霍爾效應量測： 利用類似異常霍爾效應的手段，但磁場刻意施加在往垂直方向微小偏離的電流方向，進行改變流密度的R-H曲線量測。 (c)電流掃描量測： 利用正負電流掃描，當外加電流到達臨界電流密度時，會發生磁滯翻轉，造成異常霍爾電壓變化，實驗中須外加一微小與電流平行方向之磁場，使等效場產生z方向分量，造成翻轉。
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在實驗中分別以直流二極式濺鍍機與分子束磊晶的方式在玻璃基板上鍍上銅薄膜。對濺鍍機鍍的銅膜樣品，我們以原子力顯微鏡掃描其表面並記錄其起表面起伏度，歸納出膜厚與表面起伏度的相關性。對分子束磊晶的銅模樣品，我們以四點范德堡方法測量其電阻，經過計算可得知銅膜電阻率與膜厚的關係，並與理論模型比較，發現與理論相符。
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本論文是利用Ta(Nb)/CoFeB/MgO/Ta之磁垂直異向性異質結構樣品，經蝕刻成25μm x 250μm之Hall bar元件進行AHE之異常霍爾電阻量測。實驗主要分為三部分 (1)異常霍爾效應(AHE)量測 利用Ta(5)/CoFeB(n=1,1.2,1.4 nm)/MgO(1)/Ta(5)及Nb(5)/CoFeB(1.4)/MgO(1)/Ta(5)之樣品進行異常霍爾電壓(電阻)之量測，並將其矯頑場(Hc)及外加電流密度(jC)進行作圖比較。 (2)平面霍爾效應(PHE)量測 實驗手法及步驟與異常霍爾效應之量測皆雷同，相異之處僅為外加場之方向，將外加場從z方向改為x方向，觀察改變電流時R-H loop之變化，並將其H-IC曲線作圖與文獻比較。 (3)電流翻轉實驗 利用正負電流掃描，當外加電流到達臨界翻轉電流時，磁矩會翻轉，造成異常霍爾電壓(電阻)正負變號，實驗中須外加一微小與電流平行方向之磁場，使等效場產生z方向分量，造成翻轉。
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本論文利用磁控濺鍍系統成長CoFeB/MgO/CoFeB之垂直式穿隧結多層膜磁阻，並進行兩種不同階段性覆蓋製膜，而後進行磁滯曲線(M-H)量測；再經由蝕刻將多層膜製作出5um*10um之橢圓形元件並且進行磁阻曲線(R-H)量測。實驗主要分為三個部分 (1) 量測磁阻時經由改變偏壓發現當偏壓越大時，磁阻率會下降，其中，我們發現利用二次覆蓋製膜的樣品V1/2比一次製模大，其衰減的幅度較小，另外我們發現到一次製膜之樣品磁阻曲線的矯完場(Hc)會因為外加正或負的偏壓隨之增加或減少，然而二次覆蓋製膜之樣品變化幅度較小。 (2) 成長多層膜樣品P一次製膜與S二次覆蓋製膜 Ta(5)/Ru(5)/Ta(5)/ Co4Fe4B2 (1.2)/MgO(1.1)/ Co2Fe6B2 (1.4) /(Ta5)/Ru(5) (in nm) 與Ta(5)/Ru(5)/Ta(5)/ Co4Fe4B2 (1.2)/MgO(1.1)/ Co2Fe6B2 (1.3)/ Ta(1)/(Ta5)/Ru(5) (in nm) 兩種樣品分別為一次製膜與二次覆蓋製膜在室溫下我們量測磁滯曲線觀察到是由兩層垂直式鐵磁層所疊加而成的，並且發現此兩層鐵磁層分別在不同樣品製成下扮演不同腳色，我們進而量測磁阻同樣發現此兩樣品如磁滯曲線般鐵磁層扮演著不同之腳色，利用此法可以調控不同之垂直式磁阻。 (3) 我們另外成長一組上層結構Ta10/Mgo(1)/CoFeB1.3/Ta(X)/Ta5/Ru5 (in nm) X=0.6 , 1, 2(nm) 利用二段式覆蓋製膜，探討其介面氧化之效應並量測其磁滯曲線，發現三組樣品二次覆蓋並且退火後垂直異向能、介面異向能等有變大的趨勢，並且其繳完場(Hc)也因為二次式覆蓋也明顯變大。
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本實驗發展了一套方法來觀察鐵磁層與反鐵磁層之間磁矩的關係，我們使用X光吸收光譜 (X-ray Absorption Spectroscopy, XAS) 來確認樣品的成分，及樣品表層是否有反鐵磁層的存在，並利用影像式光電子顯微術 (photoemission electron microscopy, PEEM) 得到不同偏振光源的磁區影像，將這些磁區影像的原始圖檔使用ImageJ把每個位置對應能量數據化，使得即使原本看似較無明顯磁區的位置，可以跳脫肉眼判讀之限制，有客觀數據化的依據。透過分析XMLD-PEEM與XMCD-PEEM的圖譜，不僅可以應用在分析磁性耦合，還可以用來分析任何兩張圖形的空間相依性。