스피넬 $Co_{0.6}Fe_{0.9}Mn_{1.5}O_4$ 에서 전이 금속 이온들의 전자가 상태와 스핀 구조

Abstract

나노 과학의 목적은 수 나노미터 크기를 가지는 구조를 생성하거나 혹은 이러한 물질에 대한 현상을 이해하는데 있다. 최근 스스로 결합하는 나노 체크 보드 패턴을 띄는 물질이 열적 불림 과정에 의해서 만들어졌다. 체크보드 패턴을 보이는 스피넬들 중 $Co_{0.6}Fe_{0.9}Mn_{1.5}O_4$는 가장 우수한 특성을 가지고 있다. 즉 이 물질은 나노 구조가 잘 정의되어 있고, 두 구역 모두 자성을 가진다. 본 연구에서 수냉한 $Co_{0.6}Fe_{0.9}Mn_{1.5}O_4$ 에 있는 세 가지 양이온들의 전자가와 스핀 상태를 핵 자기 공명법과 X선 흡수 스펙트럼 측정을 이용하여 연구되었다. 첫째로 핵 자기 공명법에 의해서 코발트와 망간 이온의 전자가와 스핀 구조가 연구되었다. 네 개의 구별되는 NMR 피크가 50에서 610MHz의 넓은 주파수 영역에서 관측되었다. 이들 피크들의 외부 자기장 의존성은 모든 이 피크들은 코발트 혹은 망간 핵으로부터 얻어진 신호임을 알려준다. 다른 스피넬의 피크들과 비교는 $Mn^{+3}$, $Mn^{+2}$ 이온과 두 종류의 코발트 이온의 존재를 확인하였다. 추가적으로 자기 모멘트의 방향이 핵자기 공명신호의 자기장 의존성의 실험적 결과결부터 결정되었다. 둘째로, 수냉한 $Co_{0.6}Fe_{0.9}Mn_{1.5}O_4$ 의 Mn, Co and Fe 2$p$ XAS 스펙트럼들의 측정과 다른 참고 스펙트럼과 비교는 $Co^{2+}$, $Co^{3+}$, $Fe^{3+}$, $Mn^{2+}$ 그리고 $Mn^{3+}$ 이온의 존재를 알려주었다. 이 결과는 NMR 결과와 부합한다. 게다가 $Co^{3+}$ 이온이 Co 이온의 주요 전자가이고, $Fe^{3+}$ 이온이 주로 B 격자 위치에 존재한다는 사실을 Co와 Fe XAS 스펙트럼의 선 모양의 상세한 분석으로부터 알 수 있었다. 마지막으로 NMR과 XAS 결과를 포화 자화의 크기를 결합하여 분석하여 평균적 화학적 식이 $x \sim 0.9$ 을 가지는 $(Mn^{2+}_x Co^{2+}_{1-x})_A [Co^{3+}_{x-0.4} Mn^{3+}_{1.5-x} Fe^{3+}_{0.9}]_BO_4$ 의 화학식을 가짐을 알았다. 게다가 $Co_{0.6}Fe_{0.9}Mn_{1.5}O_4$ 는 $Fe^{3+}$, $Co^{2+}$ 그리고 $Mn^{3+}$ 가 주요 스핀이고 $Co^{3+}$ 와 $Mn^{2+}$가 소수 스핀을 가지는 반강자성체가 됨을 알았다. 추가적으로 체크보드 패턴을 보이는 $Co_{0.6}Fe_{0.9}Mn_{1.5}O_4$ 에 대한 XAS와 NMR 측정을 하였고, 수냉한 시료와 비교하였다. 체크보드 패턴을 띄는 시료의 XAS 스펙트럼의 선 모양은 수냉한 시료와 거의 유사하였다. 수냉한 시료와 체크보드 패턴을 보이는 시료에 대한 NMR 피크의 주파수 영역도 서로 다르지 않았다. 이 연구는 나노 체크 보트 패턴을 보이는 스피넬 화합물의 화학적 구조적 그리고 자기적 변화를 이해하는데 도움이 된 것이다.