1. 表面磁性(磁性超薄膜)與奈米磁性顯影
磁性超薄膜是一個非常有趣的低維磁性系統,它的厚度通常只有幾個奈米,在這麼小的厚度下,二維磁性的特性與介面的影響,造成整個系統磁性性質的巨大變化(如居里溫度的降低與垂直薄膜表面磁性易軸的存在等等 )。又因為磁性超薄膜可利用磊晶技術 (MBE),產生具有特殊磁性性質的人工結構。所以它在磁性物理是一個很重要的課題。當結合了反鐵磁薄膜後,所產生的交換偏耦合(exchange bias coupling),也在磁性工業技術材料方面有相當大應用的潛力。本實驗室所探討的主題包括了:
● 磁性超薄膜、多層膜(Fe, Co, Ni, 與其合金)
● 晶體結構、表面形貌、生長模式(表面物理)與磁性性質的交互作用
● 磁異向性(Magnetic anisotropy),反鐵磁材料交換偏耦合以及其中的量子干涉效應
此外磁區顯影技術對於磁性現象的理解非常重要。舉例來說,利用具有元素解析性的同輻射光電子顯微鏡(XMCD-PEEM),我們可以研究在微觀下鐵磁與反鐵磁薄膜在介面上相互耦合的行為。此外,當要研究反鐵磁性或是奈米尺度下的磁性時,具有奈米尺度等級且具自旋敏感度的掃瞄式穿遂電子顯微鏡(Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy, SP-STM)是最好的選擇。在近年內我們成功的利用環形鍍鐵的鎢線開發出穩定且具有平行於膜面磁化方向的探針,以及發現了可以在不加外磁場下操控磁性方向的垂直磁化軟磁探針。這些具有不同功能的探針可以廣泛的利用於奈米尺度磁性結構的研究。目前本實驗室研究的課題如下:
● 鐵磁反鐵磁交換耦合之磁性顯影
● 反鐵磁薄膜微觀磁性結構
● 鈷奈米島之磁性顯影及自旋極化(Spin-polarization)
● 有機分子之磁性顯影及非彈性穿隧行為(inelastic tunneling)
圖一 (a) 具垂直磁化方向的鈷/銅(111)系統上,電流/電壓微分訊號圖所對應的垂直磁化對比態。(b) 與 (a) 相比,所造成的自旋對比變化來自於探針磁軸的反轉。(c) 為再次反轉探針磁軸,則自旋對比態可回復成如 (a) 的自旋對比。
2. (有機)自旋電子學:
有機及分子因有較長的自旋傳輸長度、因此在自旋電子學的應用上備受矚目。且為重量輕及可撓性,因此有適合製作可彎曲的消費性電子器具,如有機發光二極體和有機電子紙。有機及分子亦可以利用化學方法控制其官能基,進而製備不同的介面和所需的能帶結構。因有機及分子具備許多別種材料沒有的優點,相信在未來有相當的潛力可以變成好的產品。目前我們所探討的部分包含:
● 自旋電子穿隧元件(MTJ)
● 穿隧磁阻(TMR)效應系統之研究(Tunneling Magnetoresistance)
● 長距磁偏耦合效應(long-range interlayer exchange bias coupling)
● 有機自旋閥(Organic Spin Valve)與有機自旋電子傳輸(Organic spin transport)
圖二 覆蓋量為3-13原子層之鐵原子層成長於氧化鋁/鎳鋁(100)基板上之表面形貌,奈米粒子的尺寸隨著覆蓋量而增加。直到鐵覆蓋量增加至13個原子層時,鐵仍保有奈米粒子的型態。
圖三 (a) 奈米碳管在不同氣體環境下經雷射處理過之示意圖。(b) 電子顯微鏡及光電子掃瞄顯微鏡所得到相同區域之奈米碳管截面。
3. 零維度、一維度功能性奈米材料:
在近年內許多新穎的奈米材料(例如奈米碳管或是石墨烯)無論是在電子結構,磁性,或是催化方面都現出許多有趣的特性。我們目前研究的課題如下:
● 自組裝(Sef-organized)磁性奈米結構、磁性奈米點
● 有機材料對薄膜磁性上的影響
● 碳六十(C60)奈米結構及電性
● 石墨烯(Graphene)之磁性及電子結構
磁性及表面科學領域重要常用的研究工具與分析技術,在工業上亦有相當的應用:
● Ultra High Vacuum (UHV) System:超高真空系統
● Molecular Beam Epitaxy (MBE):分子磊晶鍍膜技術(超高穩度電子轟機式)
● UHV-Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE):磁光科爾效應,磁性測量技術
● Auger Electron Spectroscopy (AES):薄膜成份分析研究
● Medium Energy Electron Diffraction (MEED):鍍膜厚度即時監控技術
● Low Energy Electron Diffraction (LEED & I/V-LEED):定性與定量晶體結構與表面研究
● UHV-VT- Scanning Tunneling Microscopy (VT-STM):變溫掃瞄穿隧顯微鏡
● UHV- LT- Scanning Tunneling Microscopy (LT-STM):低溫掃瞄穿隧顯微鏡
● UHV-Spin-polarized Scanning Tunneling Microscopy (SP-STM):自旋掃瞄穿隧顯微鏡
● 四點磁電阻量測系統
● Photoemission electron Microscopy (PEEM):光電子顯微鏡 (新竹同步輻射中心)
● Scanning Photoelectron Microscopy (SPEM):掃瞄式光電子顯微鏡 (新竹同步輻射中心)