Study of Dielectric Property Enhancement with Different Directions and Sizes Magnetic Moment in Magnetic Complex Thin Film

本論文中利用磁控濺鍍沉積技術(Magnetron sputtering deposition)製備整合鐵鉑合金(Fe51Pt49)與鈦酸鋇(BaTiO3)的磁性複合薄膜。以L10相之磁矩平行膜面鐵鉑合金薄膜(矯頑場1421 Oe)、磁矩垂直膜面鐵鉑合金薄膜(矯頑場1276 Oe)及加入銀頂層磁矩垂直膜面鐵鉑合金薄膜(矯頑場14700 Oe)三種擁有不同大小及方向磁矩作為磁性複合薄膜的覆蓋層(Capping layer)，當未加入銀頂層的鐵鉑合金薄膜中磁矩垂直膜面時，薄膜內部提供的磁場透過磁電效應(Magnetoelectric effect)提升鈦酸鋇薄膜於立方晶相時的介電係數。薄膜介電係數最高在1kHz量測頻率時提升至814。可在室溫環境中發現379%(1kHz)、278%(2kHz)、102%(4kHz)的磁電容效應(Magnetocapacitance)。但加入銀頂層雖然會強化磁性薄膜的剩磁與矯頑場等磁性質，卻因為導電性不佳而無法做為電容元件電極。當鐵鉑合金薄膜中磁矩平行膜面時，其複合薄膜在I-V曲線中擁有較磁矩垂直膜面的複合薄膜低的漏電流。In this thesis, we used magnetron sputtering deposition technique to deposit the magnetic complex thin film that integrates Fe51Pt49 into BaTiO3 thin film capacitor. The capping layer of Fe51Pt49 have three different directions and the size of the magnetic moment by annealing and one more Ag capping layer. The magnetoelectric effect arising from the FePt/BaTiO3 interface enhances the relative dielectric constant of BaTiO3 with FePt which has perpendicular magnetic anisotropy and did not add the Ag. When the magnetic complex thin film integrates FePt into cubic BaTiO3 thin film ceramic capacitor, the relative dielectric constant was enhanced to 814 in 1kHz measuring frequency. In magnetic metal/insulator/non-magnetic metal structure, FePt/MgO/ BaTiO3/Pt/Ti/SiO2, we find 379%, 278% and 102% room temperature magnetocapacitance effect in 1kHz, 2kHz and 4kHz measuring frequencies respectively. But we can not use FePt with Ag capping to be the electrode because of it’s poor conductivity. Furthermore, the leakage current of the magnetic complex thin film which has level of anisotropy capacitor is lower than the magnetic complex thin film which has perpendicular anisotropy in I-V curve.口試委員審定書 I 致謝 II 摘要 III Abstract IV 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究背景與動機 2 1.3 論文架構 5 第二章 文獻回顧與理論基礎 7 2.1 真空理論 7 2.2 電漿 8 2.3 薄膜成長機制 9 2.4 鈦酸鋇結構特性與製程 12 2.4.1 鈦酸鋇簡介 12 2.4.2 鈦酸鋇陶瓷粉末製程 13 2.4.3 鈦酸鋇薄膜製程 14 2.5 鐵鉑合金薄膜結構特性與垂直異向性 20 2.5.1 鐵鉑合金簡介 20 2.5.2 鐵鉑合金的垂直異向性製程 25 2.6 介電性質 28 2.7 磁性理論 32 2.8 多鐵性與磁電容 37 2.8.1 鐵性與多鐵性體介紹 37 2.8.2 單一相多鐵電體 39 2.8.3 多相多鐵性體 41 2.8.4 單一相鈦酸鋇的多鐵性質 42 2.8.5 磁電容 43 第三章 實驗方法與步驟 45 3.1 實驗流程設計 45 3.2 預備動作 47 3.3 薄膜製備 48 3.3.1 鈦酸鋇薄膜製備 48 3.3.2 鐵鉑合金薄膜製備 52 3.3.3 磁性複合薄膜製備 55 3.3.4 磁控濺鍍系統 59 3.4 薄膜微結構分析 60 3.4.1 X光繞射分析儀 60 3.4.2 場發射掃描式顯微鏡 62 3.4.3 電子微探分析儀 63 3.5 薄膜性質分析 64 3.5.1 磁性分析-超導量子干涉儀 64 3.5.2 電性分析-半導體裝置分析儀與LCR錶 65 第四章 實驗結果與討論 67 4.1 鈦酸鋇薄膜分析 67 4.1.1 X-ray繞射分析結果討論(XRD discussion) 67 4.1.2 薄膜微結構分析(FESEM discussion) 73 4.1.3 電性分析 77 4.2 鐵鉑合金薄膜分析 80 4.2.1 X-ray繞射分析結果討論(XRD discussion) 80 4.2.2 電子微探分析結果討論(EPMA discussion) 88 4.2.3 磁性分析(SQUID discussion) 89 4.3 磁性複合薄膜分析 92 4.3.1 電流-電壓曲線(I-V curve) 92 4.3.2 介電係數-電壓曲線(εr – V curve) 96 第五章 結論 102 參考文獻 10