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研究生： 曾浩鈞
Tseng, Hao-Chun
論文名稱： 氧化銦摻雜鈷之磁、電性質研究
Study of Co:In2O3 on transport and magnetic properties
指導教授： 黃榮俊
Huang, Jung-Chun
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 97
中文關鍵詞： 氧化銦
外文關鍵詞： in2o3
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    • 本論文研究工作主要是藉由實驗設計釐清Co：In2O3的磁、電性質來源機制。
    首先，利用分子束磊晶在不同溫度下成長Co：In2O3多層膜並對樣品作XRD、XAS、Hall Effect與SQUID量測分析。在電性方面，氧空缺是主要的載子來源，且溫度會對樣品造成結構上的變化，而結構會使電性有明顯改變；磁性方面，我們認為束縛極化子模型是Co：In2O3的磁性來源機制。
    接著，我們將室溫成長的樣品作真空與通氧退火三小時並與以量測分析，結構方面，樣品經退火後結構皆有改善；電性方面，真空退火使電性獲得改善，但通氧退火後樣品則呈絕緣性；磁性方面，退火容易使鈷團簇析出，故樣品呈現明顯的順磁相。

    In this thesis, we tried to realize the transport and magnetic mechanism of Co：In2O3.
    For starter, we grew Co：In2O3 multilayers at different temperature by MBE system and measured these samples by XRD、XAS、Hall Effect、SQUID. In electric, oxygen vacancy is the main source of carrier concentration and that temperature affected structure to influence electric property. In magnetic, we consider that the BMP model could be the magnetic mechanism.
    And then, we annealed samples grown at room temperature in vacuum and oxygen for three hours. In structure, annealing improve structural quality for all samples. In electric, annealing in vacuum could improve electric property. But sample annealed in oxygen could be insulating. In magnetic, annealing made Co cluster precipitate and sample could be paramagnetic

    目錄 第一章 緒論 1-1 前言………………………………………………………………………………………………….1 1-2 氧化銦特性簡介…………………………………………………………………..………….2 1-3 文獻回顧………………………………………………………………………………………….4 1-3-1 氧化銦電性討論之相關文獻………………………………….……….….4 1-3-2 氧化銦磁性討論之相關文獻………………………………….………….11 1-4 研究動機…………….………………………………………………………………………….20 Reference………………………………………………………………………………………………..21 第二章 相關理論介紹 2-1 平均場理論………………………………………………………………………………..….23 2-2 磁性來源機制………………………………………………………………………………..25 2-2-1 雙交換耦合機制……………………………………………………………….25 2-2-2 交互巡迴式鐵磁性……………………………………………………………26 2-2-3 侷限載子式鐵磁性………………………………………..…………..…….27 2-2-4 束縛極化子模型……………………………………………………………….28 Reference………………………………………………………………………………………………..30 第三章 儀器介紹與實驗流程 3-1 實驗製成儀器-分子束磊晶系統……………………………………………..…….31 3-1-1 薄膜磊晶成長模式………………………………………..…………..…….35 3-2 實驗量測儀器………………………………………..…………..…………………………37 3-2-1 X-ray繞射儀………………………………………..…………..……………….37 3-2-2 物理性質量測系統…………………………………..…………..……….…38 3-2-3 超導量子干涉磁量儀………………………………………..……………..40 3-2-4 X-ray吸收光譜………………………………………..……………..…..…….42 3-2-5 霍爾效應量測………………………………………..…………..…………….49 3-3 實驗步驟………………………………………..…………..…………………………………50 3-3-1 引言………………………………………..…………..……………………………50 3-3-2 純In2O3成長於不同晶相之Al2O3基板……………………………..50 3-3-3 [In2O3 (28)/Co(0.28)]18多層膜製備……………………………….50 3-3-4 [In2O3 (28)/Co(0.28)]18多層膜退火處理……………………….52 3-3-5 樣品量測………………………………………..…………..…………………….53 Reference………………………………………..…………..………………………………………….55 第四章 實驗結果與討論 4-1 純In2O3在不同基板上的結構特性………………………………..…………..…56 4-2 基板溫度對Co：In2O3的結構與磁、電性分析………………………………..59 4-2-1 基板溫度對Co：In2O3的結構分析…………………………………….59 4-2-2 基板溫度對Co：In2O3的電性分析…………………………………….61 4-2-2-1 電阻率與基板溫度之討論分析………………………….61 4-2-2-2 移動率與基板溫度之討論分析………………………….65 4-2-2-3 載子濃度與基板溫度之討論分析……………………..67 4-2-3 基板溫度對Co：In2O3的磁性分析…………………………………….73 4-3 室溫成長的Co：In2O3在退火後結構與磁、電性分析…………………….85 4-3-1 室溫成長的Co：In2O3在不同情況退火後的結構特性………85 4-3-2 室溫成長的Co：In2O3在不同情況退火後的電性……………..87 4-3-3 真空與通氧退火對Co：In2O3的磁性分析…………………………91 Reference………………………………………..…………..………………………………………….94 第五章 結論………………………………………..…………..………………………………………………….95   圖目錄 圖1-2.1 In2O3之立方晶系鐵錳礦結構………………………………………..…………..………….3 圖1-3.1 不同基板溫度下，電阻率與氧壓之關係圖……………………………………………5 圖1-3.2 不同氧壓下，電阻率與成長溫度之關係圖……………………………………………5 圖1-3.3 成長時的氧壓(白點)與真空退火時的氧壓(黑點)對各種電性之關係圖7 圖1-3.4 純In2O3，基板溫度下與各種電性性質之關係圖…………………………………..7 圖1-3.5 W：In2O3在不同基板溫度與氧壓下，各種電性性質之關係圖………………8 圖1-3.6 各種缺陷所能貢獻的載子濃度……………………………………………………………10 圖1-3.7 在不同氧壓下退火，各種缺陷所能貢獻的載子濃度………………………….10 圖1-3.8 在不同成長溫度下成長Ni：In2O3之XRD圖…………………………………………12 圖1-3.9 左圖為不同成長溫度下成長的Ni：In2O3之M-H圖；右圖是550℃成長 樣品之M-T圖，小圖為純In2O3之M-T圖……………………………………………………..12 圖1-3.10 Cr：In2O3與SiO2基板的XRD圖；小圖為純In2O3與Cr：In2O3的(222) 繞射峰放大後比較..……………………………………………………………………………………….....14 圖1-3.11 Cr：In2O3的M-H圖：左圖氧壓為0.2mtorr；右圖氧壓為0.35mtorr， 小圖為氧壓為20 mtorr...…………………………………………………………………….14 圖1-3.12 純In2O3與Cr：In2O3之XRD圖。……………………………………………………………..16 圖1-3.13 塊材與薄膜樣品經大氣退火與真空退火後之M-H圖，小圖為未退火 前的M-T圖..………………………………………………………………………………….......16 圖1-3.14 不同溫度下，Co：In2O3成長於Al2O3之M-H圖……………………………………18 圖1-3.15 各種元素摻雜於In2O3之M-T圖..………………………………………………………..18 圖1-3.16 在MgO與Al2O3基板上，各種元素摻雜於In2O3中的飽和磁化量......19 圖1-3.17 Co：In2O3成長在MgO；Ni：In2O3成長在Al2O3之拉塞福散射光譜…..19 圖2-1.1 T. Dietl等人利用平均場理論預測不同材料的居禮溫度……………..……….24 圖2-1.2 居禮溫度隨著載子濃度以及磁性原子的含量增加而提升……………..……24 圖2-2.1 雙交換耦合機制示意圖…………………………………………..…………………………………………..25 圖2-2.2 交互巡迴式鐵磁性的示意圖………………………………………………………………………………26 圖2-2.3 侷限載子式鐵磁性的示意圖………………………………………………………………………………27 圖2-2.4 束縛極化子模型示意圖…………………………………………………………………………29 圖3-1.1 分子束磊晶系統配置圖……………………………………………………………………………..………..32 圖3-1.2 (a)電子槍坩堝(b)分子源坩堝………………………………..………………………………33 圖3-1.3 成長模式示意圖。(a)FM mode，(b)VW mode，(c)SK mode………………..35 圖3-2.1 X-ray 繞射原理……………………..………………………………………………………………………………..37 圖3-2.2 X-ray 繞射示意圖……………………..……………………………………………………………………………37 圖3-2.3 PPMS 外觀構造圖。………………….………………………………………..…………………38 圖3-2.4 調控樣品環境的裝置示意圖。……….………………………………………..………..…39 圖3-2.5 X光吸收光譜示意圖……………………..………………………………………………………………………42 圖3-2.6 光子能量與銅吸收截面關係圖……………………..………………………………………43 圖3-2.7 X光吸收光譜實驗示意圖……………………..……………………………………………….47 圖3-2.8 穿透式電子訊號量測模式……………………..……………………………………………..47 圖3-2.9 X光通過物質後強度衰減示意圖……………………..……………………………………………….48 圖3-2.10 螢光式電子訊號量測模式……………………..…………………………………………………………48 圖3-2.11 利用霍爾效應量測載子濃度的基本裝置……………………..……………………………..49 圖3-3.1 [In2O3 (28)/Co(0.28)]18磊晶示意圖……………………..……………………………………….51 圖3-3.2 實驗製程與量測分析流程圖……………………..……………………………………………………….54 圖4-1.1 純In2O3成長在Al2O3(0001)基板上之XRD圖……………………..…………………………..56 圖4-1.2 純In2O3成長在Al2O3(1-102)基板上之XRD圖…………..……………………………………57 圖4-1.3 純In2O3成長在Al2O3(11-20)基板上之XRD圖…………..……………………………………57 圖4-1.4 純In2O3成長在Al2O3(10-10)基板上之XRD圖………..………………………………………58 圖4-2.1 不同基板溫度下，Co：In2O3之XRD圖………..……………………………………………………..59 圖4-2.2 400、500、600℃成長的樣品XRD圖中In2O3(222)繞射峰的局部放大…59 圖4-2.3 純In2O3在600℃成長於Al2O3(0001)之XRD圖。………..…………………………………..60 圖4-2.4 電阻率與基板溫度之關係圖………..……………………………………………………….61 圖4-2.5 載子在500℃成長的樣品中之傳輸示意圖………..………………………………………….62 圖4-2.6 載子在室溫成長的樣品中之傳輸示意圖………..……………………………………………..62 圖4-2.7 500℃成長的樣品之ln(R) - T圖………..………………………………………………………………..64 圖4-2.8 室溫成長的樣品之ln(R) - T圖………..…………………………………………………………………..64 圖4-2.9 移動率與晶粒大小對基板溫度的關係圖………..……………………………………………..65 圖4-2.10 晶粒邊界散射之示意圖……………………………………………………………………...67 圖4-2.11 載子濃度與基板溫度之關係圖……..…………………………………..……………………………68 圖4-2.12 400℃與室溫成長的樣品氧空缺分布模擬圖：左圖為400℃成長，右 圖為室溫成長……..………………………………………………………………………………………….……68 圖4-2.13 400、500℃成長的樣品之吸收光譜……..…………………………………………………………71 圖4-2.14 500℃成長的樣品之吸收光譜擬合圖……..…………………………………………………….71 圖4-2.15 原本在取代位置的Co2+以Co團簇析出之示意圖………………………………………72 圖4-2.16 室溫、400、500℃成長樣品之吸收光譜………………………………………………………74 圖4-2.17 室溫、400、500℃成長的樣品之M-H圖…………………………………………………….76 圖4-2.18 扣除基板反磁訊號後，室溫、400、500℃成長的樣品之M-H圖………76 圖4-2.19 室溫與400℃成長的樣品之M-H圖，小圖為未扣除基板反磁訊號之M-H圖..…………………………………………………………………………………………………………………..78 圖4-2.20 室溫與400℃成長的樣品之M-H圖在零場部分的局部放大.…………..78 圖4-2.21 室溫與400℃成長的樣品之M-T圖…..…………………………………………………………..79 圖4-2.22 BMP model之示意圖……………………………………………………………………………81 圖4-2.23 400℃與室溫成長的樣品缺陷分布模擬圖：左圖為400℃成長，右圖為室溫成長……………………………………………………………………………………………………………81 圖4-2.24 400℃與500℃成長的樣品之M-T圖……………………………………………………………..83 圖4-2.25 400℃與500℃成長的樣品M-H圖的局部放大…………………………………………..83 圖4-2.26 400℃與500℃成長的樣品M-T圖……………………………………………………………...….84 圖4-3.1 不同退火情況後樣品之XRD圖……………………………………………………………………….…86 圖4-3.2 真空退火後，各種電性性質及晶粒大小與退火溫度之關係圖………………..88 圖4-3.3 300℃真空與通氧退火的樣品之M-H圖………………………………….……………………..92 圖4-3.4 300℃真空與通氧退火的樣品之M-T圖………………………………………………………...92 圖4-3.5 300℃真空退火的樣品之吸收光譜…………………………………………………………………..93 圖4-3.6 300℃真空退火的樣品之吸收光譜擬合圖…………………………………………………….93 圖4-3.7 300℃通氧退火的樣品之吸收光譜………………….……………………………………………….93   表目錄 表3-1.1 各式幫浦系統的工作範圍及抽氣速率……………………………………………………………34 表4-3.2 真空退火與通氧退火的環境參數與背景壓力………………………………………………85 表4-3.2 真空退火與通氧退火的各種電性結果………………………………………………….90

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    下載圖示 校內：2009-07-23公開
    校外：2009-07-23公開
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