影像式光电子显微术於磁性薄膜研究的介绍.doc

影像式光電子顯微術於磁性薄膜 及微結構研究的介紹 文/魏德新、許瑤真 摘要 探討多層薄膜結構和微區結構的磁特性是近年來很受重視的研究課題。實驗上，藉由調變膜層的厚度或微結構的形狀與大小，一個系統的磁特性可隨之呈現不同的反應。這樣的特徵在實際的應用層面上已具發展潛力。但在探索其物理源由的努力上，則需要有能夠偵測單一元素自旋結構以分辨各個組成成分間不同的反應與耦合。應用已發展成熟的X光吸收能譜技術為基礎，本文簡述近期影像式光電子顯微術在磁性薄膜系統上的研究。 一、前言 在凝態物理中對作用力的描述經常是電子或原子集體行為的結果。所以，縱使作用力的起源是來自更小尺度的量子現像，其有效作用力的距離卻可以比之大很多。近來，隨著奈米科技的發展，探討系統在微小化或式樣化(patterning)後所出現的特性已成為許多研究的焦點。尤其是當系統的大小與相關作用力的尺度相當時，吾人即可以藉由調整相對巨觀的尺寸和幾何形狀來改變系統的特徵表現。近來以巨磁阻 (giant magnetoresistence, GMR) 現像為基礎而得以快速發展的高密度磁儲存工業就是一個成功例子。 基本上，磁性的現象是源自於電子與電子間的交換作用(exchange interaction)；由於交換力的存在導致了磁矩呈現有序的排列。所以，在研究磁性材料時，磁結構與電子結構常需一併討論。不過，也正因為電子間的作用力並不侷限於相鄰的兩個原子，所以將不同磁結構的薄膜以層狀結構堆疊時就會因膜層間的交互作用力而使系統出現多樣化的性質。在應用科學的發展上，以塊材或單一膜層為主體的研發較少，而以多層膜結構為主體的研發較多。其中鐵磁金屬層/非磁性金屬層/鐵磁金屬層(Ferromagnet/Non- magnet/Ferromagnet；FM/NM/FM）三層薄膜結構中發現的震盪式交換耦合(oscillatory exchange coupling) 與反鐵磁層/鐵磁層系統常見的交換偏耦合 (exchange bias)等效應為許多研究的焦點[1,2]。相對於應用方面的蓬勃發展，在瞭解磁性膜層間直接/間接作用力機制的努力則受限於相關實驗技術必須能分辨單一層別或材料的磁訊號而進展較為緩慢。至於在有關磁區(magnetic domain)在多層膜系統中所可能扮演的角色則是要到近幾年相關實驗技術逐漸成熟後才有較多的實驗報告[3-5]。 軟X光吸收能譜術為一已知具有元素艦別力的有效工具。當使用的光源具有左/右旋偏振性時，就可以利用磁性物質對偏振光源的吸收截面效率為其磁化向量（M）和光偏振向量（?）的函數來進一步獲取物質的磁性質，如軌道磁矩等。這就是所謂X光磁圓偏振二向性(X-ray magnetic circular dichroism, XMCD)[6,7]。再進一步，若是將物質吸收光子後發射出來的二次電子訊號強度依發射位置記錄下來，那麼就能以磁圓偏振二向性為對比的機制而分辨不同元素的磁區分佈。利用X光的穿透性，並考慮因吸收而造成的電子發射時電子的逃脫深度(escaping depth)，軟X光吸收能譜術有5～10 nm 的探測深度，極適合超薄膜的相關研究。 就儀器本身而言，PEEM的成像機制類似於光學顯微鏡。樣品經光子照射後產生的訊號藉由透鏡加以成像並放大觀察。不同的是光電子顯微鏡是使用電子透鏡且其訊號源是電子而非光子。故光電子顯微術屬於“光子進-電子出”的技術。由於其用以成像的電子是樣品吸收同步輻射光源後所放射出來的二次電子，PEEM屬於發射式(emission type)顯微術的一種。圖一是PEEM顯微鏡成像的示意圖。在放射式顯微術的解析力方面，藉由X-光吸收所產生的二次電子能量分佈可以來表示。其所涵蓋的能量範圍寬且發射角度並無限制，故顯微鏡的解析力會因訊號源的色像差及透鏡的球面像差而降低。為了提高顯微鏡的解析能力，可以在物鏡的背聚焦面(back focal plane)沿光軸放置孔徑(aperture)以選擇顯微鏡接收電子的能量和入射角度。目前，位於新竹同步輻射研究中心的影像式光電子顯微鏡有數個以壓電材料控制位置的孔徑(contrast aperture, 1000?m ~ 30?m)依實驗所需來調整訊號強度和影像解析度。在使用最小的30?m孔徑時，影像可達100 nm 以下的解析能力[8]。  從影像中依區域不同而擷取出相對應的吸收光譜是PEEM以同步輻射為光源時的一個特色。隨著光子能量的改變，樣品中的元素在其所對應的光子吸收峰時射出的二次電子數目與其吸收的光子強度成正比。所以，分析一系列隨光子能量變化時由CDD相機記錄的影像，即可從影像強度的強弱變化獲取樣品表面微小區域內的吸收光譜，並藉以標定不同元素在樣品上的分佈（如圖二所示）。這就是所謂的元素對比影像。圖三a是一個20