Mössbauer Studies on Emergent MaterialsSung Baek Kim

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(1)≪해설논문≫ Journal of the Korean Magnetics Society 31(4), 172-179 (2021). ISSN (Print) 1598-5385 ISSN (Online) 2233-6648 https://doi.org/10.4283/JKMS.2021.31.4.172. Mössbauer Studies on Emergent Materials Sung Baek Kim*. Department of Biomedical Engineering, Konyang University, Daejeon 35365, Korea (Received 23 August 2021, Received in final form 25 August 2021, Accepted 25 August 2021) Emergent materials that exhibit two or more complex properties are attracting attention as new functional materials and are being studied with the interest of many scholars. In particular, in multiferroic materials where ferroelectricity and magnetism coexist, it is very important to understand the interaction such as the reversible flipping of polarization (magnetization) actuated by magnetic (electric) field as well as the change of dielectric constant by applied magnetic field. The causes of physical properties resulting from the interaction of two or more order functions cannot be observed with conventional macroscopic magnetometry equipment. Thus, from the point of view of an atom that can measure electronic structure and energy level, quantum mechanical experiments that satisfy the uncertainty principle are essential. Here, I would like to introduce some examples of emergent materials researched through the Mösbauer spectroscopy experiment, a quantum mechanical experimental tool. Keywords : Mösbauer spectroscopy, emergent material, multiferroic, TbMnO3, HoMnO3, YMn2O5, LuFe2O4. 복합물성 물질(Emergent Materials)의 뫼스바우어 연구 김성백* 건양대학교 의료신소재학과, 대전시 서구 관저동로 158, 35365 (2021년 8월 23일 받음, 2021년 8월 25일 최종수정본 받음, 2021년 8월 25일 게재확정) 두 가지 이상의 복합물성이 발현되는 신소재 물질들은 미래 4차 산업혁명 시대의 신기능성 물질로 주목받으며 많은 학자로부 터 흥미롭게 연구되고 있다. 특히 다강체 물질과 같이 강유전성과 자성이 공존하며, 자기장(전기장)에 의해 작동되는 분극(자화) 의 가역적 반전 또는 적용된 자기장에 의한 유전 상수의 거대한 변화 등의 상호작용을 이해하는 것은 그 응용성을 위한 매우 의 미 있는 연구이다. 이와 같은 다른 두 가지 이상의 질서 함수가 상호작용하여 독특한 형태의 특성이 발현되는 근본 원인은 기존 의 거시적 자성 측정 장비로는 관측할 수 없기에, 전자 구조, 에너지 준위 등 원자의 입장에서 불확정성 원리를 만족하는 양자역 학적 실험 도구인 뫼스바우어 분광 실험을 통하여 연구된 복합물성 물질(Emeregent materials) 연구의 몇 가지 사례를 소개하고 자 한다. 주제어 : 뫼스바우어 분광학, 복합물성 물질, 다강체, TbMnO3, HoMnO3, YMn2O5, LuFe2O4. I. 서. 론. 며, 이러한 특성은 다양한 구조의 물질에서 확장 발견됨으로 다강체(multiferroic) 물질로 불리게 되었다[1-3]. 다강체 물질. 페로브스카이트 망간 산화물에서 나타나는 초거대 자기저. 의 특성은 두 종류의 강성(ferroic property)이 서로 다른 원. 항 특성은 그 응용 가능성뿐만 아니라 그 자체의 물리적 성. 인에 의해 발현(profer type)되는 경우와 특별한 자기 스핀. 질 연구만으로도 매우 큰 학문적 가치가 있어 수년간 집중적. 구조에 의해 강유전성이 유도되어 자성과 강유전성이 강한 상. 인 연구의 대상이 되어왔다. 그 중 RMnO3(R = Sc, Y, Tb,. 호 연관성을 보이며 동시에 발현(improfer type)되는 두 가지. Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)와 같은 물질에서 강유전체이면서. 경우의 물질로 분류된다[4]. 서로 다른 두 가지 이상의 질서. 동시에 강자성 특성이 관측되어 새로이 주목받기 시작하였으. 함수가 상호작용하여 복잡한 형태의 특성이 발현되는 근본 원. © The Korean Magnetics Society. All rights reserved. *Corresponding author: Tel: +82-42-600-8512, Fax: +82-42-600-8512, e-mail: [email protected]. 동을 이해하여야 하며, 원자핵 수준의 양자역학적 실험을 통. 인을 이해하기 위해서는 고체 물질을 이루는 개별 원자의 거 해 전자 구조 및 에너지 준위 등의 측정이 필수적이다. 이에  172 .

(2) ≪해설논문≫ Journal of the Korean Magnetics Society Vol. 31, No. 4, August 2021.  173 . 적합한 실험이 원자핵 공명 현상을 이용한 뫼스바우어 분광. 같은 페로브스카이트 구조를 갖지만, 실제로는 네 개의. 실험이다.. RFeO3 단위가 monoclinic pseudo 세포 내부에서 사방정계로. 뫼스바우어 분광 실험은 독일의 물리학자 R. L. Mössbauer. 뒤틀려 있는 일그러진 페로브스카이트 구조로 되어있다. Fig.. 에 의해 발견된 감마선의 되튐 없는(recoilless) 원자핵 공명. 1에 보이는 것과 같이, 산소 팔면체는 zig-zag로 비틀려 있으. 흡수 현상(뫼스바우어 효과)을 이용한 방법으로, 자유로운 원. 며, R 이온이 작아질수록 비틀림이 커진다. 이 때문에 대부. 자핵이 빛을 흡수하거나 방출할 때는 되튐에 의한 에너지 손. 분 반강자성으로 정렬된 이상적인 두 하부 격자들로부터 발. 실로 인하여 에너지 공명 현상이 일어나지 않지만, 원자핵이. 생하는 기울어진 스핀으로 약한 강자성이 나타나게 된다[7].. 고체 내에 구속되어 있으면 원자핵의 질량에 비해 매우 큰. 따라서 기울어진 스핀에 의한 전기 분극이 유발되어 다강체. 고체가 되튐 운동량을 흡수하므로 실질적으로 되튐 에너지가. 성질을 갖게 될 조건을 만족하고 있다[8].. 영이 되어 공명 현상이 일어날 수 있게 된다. 즉, 자유 상태. 여러 온도에서 관측된 TbFeO3의 뫼스바우어 스펙트럼은. 의 핵에서는 공명흡수가 쉽게 일어날 수 없지만, 고체 격자. Fig. 2에 보이는 것과 같다. XRD 실험으로부터 Fe가 산소. 에 속박된 핵에서는 포논(phonon)이 존재하기 때문에 공명흡 수가 가능하다[5]. 뫼스바우어 효과에 도플러 효과(Doppler effect)를 결합하면, 공명흡수가 일어나면서 투과 정도가 떨어 지는 상대 속도를 관찰할 수 있는데, 이를 통해 에너지 준위 가 몇 개로 얼마나 갈라지는지와 원점이 얼마나 이동하는지 알 수 있으며, 물질 내 자성 이온에 대한 정보를 도출해 낼 수 있어 미시적 자기 물성 연구 분야에서 강력한 연구 방법 으로 사용되고 있다[6]. 본 논문에서는 다강체 특성과 같은 여러 가지 복합물성이 동시에 발현되는 물질(Emeregent materials)들에 대해 연구된 몇 가지 사례를 통하여, 뫼스바우어 분광 실험으로 개별 원 자들의 전자기 상태를 측정함으로써 그 물질의 고유한 물성 이 발현되는 원인을 이해할 수 있었던 최근의 연구 동향 및 결과들을 소개하고자 한다.. II. TbFeO3 오소페라이트(orthoferrite)라고 불리는 RFeO3(R = 희토류 원 소; Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)는 천연광물 CaTiO3나 강자성체인 SrFeO3과. Fig. 1. (Color online) The crystal structure of orthoferrite TbFeO3.. Fig. 2. Mössbauer spectra of TbFeO3 at various temperatures. Inset shows temperature dependence of Mössbauer zero Doppler velocity counts..

(3)  174 . 복합물성 물질(Emergent Materials)의 뫼스바우어 연구  김성백. 팔면체 구조 내에서 단일 site로 존재함을 알 수 있었던 결정. 났다[9]. Fig. 3(a)는 온도 변화에 따른 인가 자기장별 자기. 학적 결과와 같이, 4.2 K에서 뫼스바우어 스펙트럼은 날카로. 모멘트 측정 곡선이고, Fig. 3(b)는 온도 변화에 따른 열용량. 운 Lorentzian 6선의 단일상 공명 흡수선으로 관측된다. 온도. 측정 곡선으로, 모두 같은 온도 구간에서 peak 또는 anomaly. 가 증가함에 따라 초미세자기장 값이 감소하다가 692 K에서. 가 관측되며 이는 앞서 설명한 것과 같이 결정학적으로 기울. 는 전형적인 Néel 온도의 단일 공명흡수선의 형태를 보인다.. 어진 스핀 구조의 spin-reorientation 현상으로 설명된다.. 초미세매개변수 분석 결과 상온 뫼스바우어 스펙트럼으로부. III. HoMnO3. 터 Fe의 이온 상태는 +3가임을 알 수 있다. TbFeO3의 뫼스 바우어 스펙트럼을 분석하면 독특한 현상을 관찰할 수 있는 데, Fig. 3(c)에 보이는 것과 같이, 온도증가에 따른 초미세자. RMnO3(R = 희토류 원소) 화합물에서, R3+ 이온은 원자번호가. 기장 감소는 일반적인 자성 물질의 Brillouin 함수를 따르지. 증가함에 따라 이온 반경이 감소하게 되므로, orthorhombic. 않고 250 K~350 K 사이에서 anomaly를 보이는 것으로 나타. 구조의 LaMnO3로부터 DyMnO3 쪽으로 갈수록 tolerance factor[10]에 의한 결정학적 뒤틀림이 증가하다가, HoMnO3 물질부터는 hexagonal 구조를 갖는 것으로 알려져 있다[11]. Fig. 4는 Ho3+ 이온층과 c축에 대하여 기울어진 bipyramidal 구조의 MnO5 층이 교대로 적층된 HoMnO3의 결정구조를 보이고 있다[12]. 온도 변화에 따른 강유전 상수의 변화는, hexagonal HoMnO3 단결정의 c축과 평행한 방향으로 전기장을 인가하 였을 때, 40 K 부근에서 peak 형태로 강유전 상수값이 갑자 기 변화하는 특이성이 관측된다. 이를 Fig. 5(a)에 보이고 있 다. 또한 전기장 방향과 같은 방향으로 자기장을 함께 인가 하였을 때, 강유전 상수의 특이성 곡선이 나타나는 온도 구 간은, 자기장 세기가 증가함에 따라 감소하고 있음을 알 수. Fig. 3. (a) The temperature dependence of the magnetic moment under the various external applied fields, (b) features in magnetic moments are coincident with those in C(T), (c) the temperature dependence of magnetic hyperfine field for the TbFeO3.. Fig. 4. (Color online) 300 K crystal structure of HoMnO3 showing layers of distorted MnO5 bipyramidal building block units separated by layers of Ho3+ ions. Shading of the MnO5 bipyramids indicates tilting with respect to the c axis. HoMnO3 displays a P63cm space group at 300 K..

(4) ≪해설논문≫ Journal of the Korean Magnetics Society Vol. 31, No. 4, August 2021.  175 . Fig. 6. The Mössbauer spectra of HoMn0.9957Fe0.01O3 at various temperatures.. Fe 이온은 Mn의 bipyramidal 자리에 한 site만을 점유할 수 Fig. 5. (Color online) (a) Temperature dependent on dielectric constant of HoMnO3 single crystal (E//c, H//c), (b) features in dielectric constant are coincident with those in C(T) for HoMnO3 single crystal, and (c) temperature dependence of electric quadrupole splitting for HoMn0.9957Fe0.01O3 powder.. 있으므로, 뫼스바우어 스펙트럼은 Lorentzian 6 line의 1 set 스펙트럼만을 보인다. 초미세자기장은 온도가 증가함에 따라 감소하다가 72 K에서 전형적인 Néel 온도의 형태인 2 line의 스펙트럼이 관측되었다. 이는 Fig. 5(b)로부터 TN이 73 K 부 근으로 측정된 결과와 일치하는 결과이다. 한편, 72 K의 뫼스. 있다. 이러한 현상은 자기장을 이용하여 강유전적 성질을 제. 바우어 스펙트럼에서 보이는 두 공명흡수선 사이의 거리는. 어할 수 있다는 사실을 증명하고 있으며, 스핀트로닉스. 1.79 mm/s로 분석되었고, TN 이하에서의 뫼스바우어 스펙트. (spintronics) 소자로의 높은 적용 가능성을 직접적으로 보여. 럼에서도 1, 2번 공명흡수선 사이의 거리와 5, 6번 공명흡수. 주는 결과라고 할 수 있다. 한편 Fig. 5(b)에 보이고 있는. 선 사이의 거리가 서로 크게 차이가 나는 비대칭성을 보이고. 것과 같이, c축과 평행한 방향으로 측정된 단결정 HoMnO3의. 있는데, 이는 전기사중극자 분열값이 0 mm/s에서 크게 벗어. 열용량 특성 곡선은 세 곳의 온도 영역에서 전이(transition). 나는 값으로, Fe 주변의 이온 분포가 결정학적으로 비대칭 구. 를 보이고 있는데, 5 K 부근과 73 K 부근의 온도 영역은 각. 조를 가짐을 의미하고 있다. 전기사중극자 분열은 6 line의. 각 Ho 및 Mn 이온의 스핀 정렬(spin ordering)로 해석할. 뫼스바우어 공명흡수선 위치로부터 다음 식에 의해 그 값이. 수 있고, 36 K 부근은 Mn 이온의 spin-reorientation 온도. 얻어진다.. 구간으로 보고된 바 있다[13]. HoMnO3에 대한 온도 변화에 따른 강유전 상수의 특이성은 Mn 원자의 spin-reorientation 온도 구간에서 나타나고 있음을 알 수 있다. Fig. 5(c)에 보. 1 EQ = ---  V6V5 + V1 V2  2. (1). 이는 온도 변화에 따른 전기사중극자 분열값의 변화는 뫼스. 여기서 Vi 는 i 번째 뫼스바우어 공명흡수선의 위치를 mm/. 바우어 분광 실험을 통해 측정되었다. HoMnO3 물질의 뫼스. s의 단위로 표시한 것이다. 따라서 16 K에서는 0.43 ± 0.01. 57. Fe를 Mn 이온 자리에. mm/s, 상온에서는 1.86 ± 0.01 mm/s의 전기사중극자 분열값을. 분말 시료를 제조하여 감마. 갖는 것으로 분석되었으며, 이는 결정학적으로 Ho3+ 이온이. 선 공명 실험을 수행하였고, Néel 온도(TN) 이하에서 측정된. 주변에 7개의 산소 음이온과 결합하는 과정에서 양이온과 음. 뫼스바우어 스펙트럼을 Fig. 6에 나타내었다. 결정학적으로. 이온의 분포에 대칭성이 깨져, c축 방향을 따라 전기적 자발. 바우어 분광 실험을 위해 동위원소 미량 치환한. HoMn0.9957Fe0.01O3.

(5)  176 . 복합물성 물질(Emergent Materials)의 뫼스바우어 연구  김성백. 분극(electric polarization)을 형성하고 있음으로 설명될 수 있. Mn 이온의 거동을 확인하였다. Fig. 8은 YMn2O5 모조성과. 다[14]. 따라서 Fig. 5(c)에 나타난 것과 같이 온도 변화에. Fe가 미량 치환된 시료의 유전상수 측정 결과이며, Fe 이온. 따른 전기사중극자 분열값의 변화도 Fig. 5(a)의 강유전 상수. 의 치환량이 증가할수록 TN(magnetic Néel temperature)의. 곡선이나 Fig. 5(b)의 열용량 특성 곡선과 동일한 온도 영역. 온도는 점차 상승하는 모습을 보이고 TCE(Electric Currie. 에서 특이성을 보이는 것을 알 수 있다. 한편, 상온에서의 이. temperature)의 온도는 점차 감소하는 것을 알 수 있다. 여기. 성질체 이동값은 금속철에 대하여 0.18 mm/s로 나타났는데,. 서 주목할 부분은 second transition anomaly 부분인 T2 구. 이는 Fe 이온이 +3가의 이온 상태에 있음을 보여주고 있다.. 간이다. 이 부분은 자화율 값과 유전율 값이 동시에 변화는. 결론적으로 온도 변화에 따라 유전 상수가 변하는 특이점. 구간으로, Fe 이온의 치환량이 증가함에 따라 Mn과 O의 상. 이, 뫼스바우어 실험으로 분석된 전기사중극자 분열값이 변하. 호작용이 점차 깨지면서 강유전 특성이 사라지는 것으로 추. 는 곳과 일치하는 것을 볼 수 있는데, 이는 전기사중극자 분. 정할 수 있다. 이 구간에 대한 좀 더 자세한 논의를 위하여. 열값이 0 mm/s에서 크게 벗어나는 값으로 자성 이온 주변의. 고분해능 중성자 회절 실험과 뫼스바우어 실험 결과를 살펴. 이온 분포가 결정학적으로 비대칭 구조를 가짐을 의미하며,. 보기로 한다.. 뫼스바우어 실험을 통해 시료의 미시 구조 속에서 전기장 환경. 고분해능 중성자 회절 실험을 통한 자기구조 분석 결과 자. 의 변화를 직접적으로 관측한 사례 중 하나라고 할 수 있다.. 기 peak가 결정 peak와 중첩되지 않는 구간과 두 peak가 중 첩되는 구간이 나타나게 되는데, 이는 YMn2O5 물질이 반강. IV. YMn2O5. 자성 물질로서 온도 변화에 따라 incommensurate한 자기거동 영역 및 commensurate한 영역이 각각 존재함을 알 수 있다. 다강체 물질 중 RMn2O5는 저온 영역에서 강유전적 특성. [16]. Fig. 9는 YMn2O5의 온도에 의존하는 중성자 회절 패. 과 반강자성 특성이 동시에 발현되는 물질로써 많은 그룹에. 턴 분석을 통하여 얻어진 격자상수의 변화를 나타낸다. 격자. 서 다양한 연구가 진행되었다. 여기서는 대표적으로 R 자리. 상수 a0, b0, c0 모두 18 K 부근에서 급격한 변화를 나타내고. 에 비자성 이온인 Y를 치환한 YMn2O5 물질에 대한 뫼스바. 있으며, a0와 b0의 경우 15 K까지는 격자상수의 변화가 거의. 우어 연구 결과를 소개하고자 한다. YMn2O5의 결정구조는. 없었으나 18 K에서 급격히 감소한 반면, c0의 경우는 17 K에. Fig. 7에 보이는 것과 같이, 상온에서 orthorhombic(Pbam). 서 격자상수의 증가를 보이고 있다. 이는 유전상수의 변화가. 3+. 구조를 갖는다. Mn. 이온들은 산소 이온으로 이루어진. square pyramidal 구조의 중심에 있고 Mn4+ 이온들은 산소 팔면체의 중심에 놓여있다[15]. YMn2O5 물질에서도 뫼스바우어 공명 실험을 위해 동위원소 57. Fe를 Mn 이온 자리에 미량 치환하여 Fe 원자 상태로부터. Fig. 7. (Color online) The crystal structure of YMn2O5 containing infinite chains of Mn4+-O6 octahedra sharing edges, linked together by Mn3+-O5 bipyramid.. Fig. 8. Dielectric constant of YMn2xFexO5 from 10 to 80 K: (a) x = 0, (b) x = 0.01, (c) x = 0.02, and (d) x = 0.04..

(6) ≪해설논문≫ Journal of the Korean Magnetics Society Vol. 31, No. 4, August 2021.  177 . Fig. 10. Mössbauer spectra of YMn1.99Fe0.01O5 at various temperatures. Fig. 9. Lattice parameters of YMn2O5 at various temperatures by neutron diffraction analysis.. 나타나는 T2와 동일한 온도 구간에서의 변화이며, 원자간 거 리 변화로 인하여 유전적 특성 변화가 일어나는 것으로 설명 할 수 있다. 온도를 더욱 상승시킴에 따라 TCE(~40 K)와 TN(~45 K) 근방에서 다시 격자상수의 변화가 나타난다. 뫼스바우어 분광 실험은 YMn1.99Fe0.01O5 시료를 대상으로 4.2 K부터 상온까지 다양한 온도 구간에서 수행하였으며 Fig. 10에 뫼스바우어 스펙트럼을 나타내었다. Fe 이온이 점유하 는 Mn3+(A-site) 및 Mn4+(B-site) 이온 자리를 고려하여 스펙 트럼은 2-set으로 분석되었다. 4.2 K 스펙트럼으로부터 초미세 자기장 값은 A-site = 441.1 KOe, B-site = 451.9 KOe로 분석 되었다. Fig. 11은 YMn1.99Fe0.01O5의 (a) A-site(pyramidal). Fig. 11. Temperature dependence of electric quadrupole splitting for YMn1.99Fe0.01O5: (a) pyramidal site and (b) octahedral site.. 와 (b) B-site(octahedral)에서 전기사중극자 분열값의 온도의 존성을 보여주며, 21 K 부근에서 급격한 변화를 보이고 있다.. V. LuFe2O5. 이 또한 결정학적 결과와 같이, 유전상수의 변화가 나타나는 T2와 동일한 온도 구간에서의 변화이다. 4.2 K 뫼스바우어 스. LuFe2O4는 RFe2O4(R: rare earth materials) 물질 중 하나. 펙트럼의 전기사중극자 분열값은 A-site = 0.35 mm/s, B. 이며, 철 이온들을 비롯한 양이온의 분포가 2차원 초격자 형. site = 0.09 mm/s로 분석되었으며, 이는 A-site가 B-site보다. 태로 정렬된 층을 이루는 대표적인 물질이다[17]. 특히. 비대칭 요소가 더 큰 것을 의미한다. 또한 A-site의 Mn3+ 이온. LuFe2O4는 Fe2.5+의 혼합 전자가 상태의 전하 정렬을 하고. 자리의 경우 Jahn-teller action 이온으로 큰 전기 사중극자. 있으며, 이는 삼각 평면상에서의 전하 정렬, 자발 분극, 그리. 분열값을 갖는 것과도 일치한다. YMn2O5 물질에서도 결정학. 고 순차적인 상전이와 깊은 연관성을 갖는다. Fe2.5+의 혼합. 적 변화에 기인하는 유전적 특성 및 자기적 특성 변화를 중. 전자가 경우는 Fe2+ 전하가 0.5 적고, Fe3+의 경우 0.5 많은. 성자 회절 실험과 함께 뫼스바우어 연구로 관측할 수 있었다.. 계로 구성되어 이들 전하가 서로 정반대의 경향을 띠기 때문.

(7)  178 . 복합물성 물질(Emergent Materials)의 뫼스바우어 연구  김성백. Fig. 12. The Mössbauer spectra of LuFe2O4 at various temperatures (a) from 4.2 to 235 K and (b) from 250 to 350 K.. 에 분극을 유발하는 전하-frustrated 시스템 물질로 보고된 바 있다[18]. 또한 자기 구조적인 측면에서 자기적 스핀 정렬에 의한 초격자 형태의 LuFe2O4는 대칭적인 분극에 의한 전하 들의 분포에 따른 전기적 분극이 가능함을 알리는 보고도 있 다. 그러나 LuFe2O4의 경우 여러 온도 구간에 대하여 Fe2+, Fe3+의 이온들이 규칙적인 전하 정렬을 하고 있는지 아니면 고용체(solid solution) 성질을 띠고 있는지를 측정하는 것은 물성을 이해하는 데 있어서 매우 중요한 이슈이다. 이러한 문 제를 해결하기 위하여 뫼스바우어 분석 실험을 수행하였으며, 특히 저온에서의 전하 상태를 규명하고 200 K 이상 전기적 분극 현상이 나타나는 구간에서 Fe 이온의 거동을 이해하고 자 한다. LuFe2O4의 뫼스바우어 스펙트럼을 Fig. 12에 나타내었다. 4.2 K 온도에서 측정된 뫼스바우어 스펙트럼은 Fe3+ 상태의 3. Fig. 13. Points marked are the magnetic hyperfine fields Hhf(T) for each sub spectra of LuFe2O4 and full curves are the reduced Brillouin curves of s = 1/2 and s = 2, respectively.. set와 Fe2+ 상태의 1 set를 나타내고 있으며, 이것은 서로 다 른 결합 거리를 갖는 3가지의 Fe 이온이 +3가의 전자상태를. 의 초미세자기장과 계산된 자화값들을 나타낸다. Fe2+와 Fe3+. 갖고, 다른 Fe 이온이 +2가의 전자상태를 갖고 있음으로 해. 의 스핀은 S = 1/2와 S = 2의 Brillouin 곡선을 따르고 있음을. 석할 수 있다. 235 K에서 전형적인 6라인 형태가 사라지는. 보여준다.. 것을 관측할 수 있으며 Néel 온도(TN)는 250 K로 확인되었다.. 한편, 320 K 이상의 온도에서 Fe2+의 이온 상태를 갖는. 250 K 뫼스바우어 스펙트럼의 경우 두 개의 doublet으로 구. doublet의 이성질체 이동값(isomer shift)이 급격히 감소함을. 성된 비대칭적인 2라인의 형태를 나타냈고, 320 K에서는 두. Fig. 14(a)에 나타내었다. 이는 Fe2+와 Fe3+ 사이에 빠른 전자. 개의 doublet 중 하나가 비대칭적 1라인의 형태를 보였으며,. 이동으로 인한 효과로 인해 국재화된 전하의 정렬이 사라지. 350 K 이상에서는 두 개의 부스펙트럼이 완벽히 중첩하여 1. 기 때문으로 설명할 수 있다[19]. 또한 Fig. 14(b)에 보이는. 라인의 형태로 변함을 보이고 있다. 이는 250-320 K 온도 구. 것과 같이, 320 K 이상의 온도 구간에서 전기사중극자 분열. 간에서 Fe2+와 Fe3+ 이온의 전하 정렬이 여전히 유지되고 있. 값의 감소는 Fe2+와 Fe3+ 이온의 정렬을 통해 형성되었던 초. 음으로 해석할 수 있다. Fig. 13은 온도의 함수로서 LuFe2O4. 격자 구조가 소멸되기 시작하였음을 의미한다. 350 K에서 단.

(8) ≪해설논문≫ Journal of the Korean Magnetics Society Vol. 31, No. 4, August 2021.  179 . 감사의 글 이 논문은 건양대학교 학술연구 지원으로 이루어졌으며 이 에 감사드립니다.. References. Fig. 14. (a) The changing of isomer shift and (b) electric quadrupole splitting for LuFe2O4 in paramagnetic region.. 일선으로 나타난 뫼스바우어 스펙트럼은 전기적 Curie 온도 (TCE)로 Fe2+와 Fe3+ 이온의 정렬이 사라진 형태로서 전기사 중극자 분열값이 0으로 분석되었다. 이는 Fe 이온들의 자기 적 거동이 수직적으로 정렬되어 전기적 자발 분극의 근원이 되었던 Fe3+와 Fe2+의 전하 정렬이 fast electron hopping 현 상으로 인하여 완전히 사라지며, c축 방향으로 disorder된 상 태로 상전이를 일으켰기 때문으로 해석할 수 있다.. VI. 결. 론. 본 논문에서 소개한 뫼스바우어 실험을 활용한 복합물성 물 질의 연구 결과는 미시적 자기 특성 분석에 뫼스바우어 분광 법이 매우 유용함을 보여준다. 특히 물질을 이루는 이온들 사 이의 질서함수에 대하여 초미세 상호작용을 직접 관측하고 해 석할 수 있다는 것에 그 중요성이 있다. 물성 이해에 필수적 인 전자 구조 및 에너지 준위 등의 측정은 기존의 거시적 자 성 측정 장비로는 관측할 수 없기에, 원자의 입장에서 불확 정성 원리를 만족하는 양자역학적 실험 도구인 뫼스바우어 분 광 실험의 도입으로 그 측정이 가능할 수 있었다. 또한 뫼스 바우어 실험이 용이한 철 기반 산화물은 매우 높은 온도에서 자성을 보여주는 경우가 많아 최근 활발한 연구가 진행 중인 반강자성 스핀트로닉스(antiferromagnetic spintronics)[20] 등 상온에서의 자성 기반 다기능 특성 연구에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.. [1] T. Kimura. T. Goto, M. Shintani, K. Ishizaka, T. Arima, and Y. Tokura, Nature 426, 55 (2003). [2] T. Lottermoser, T. Lonkai, U. Amann, D. Hohlwein, J. Ihringer, and M. Fiebig, Nature 430, 541 (2004). [3] N. Hur, S. Park, P. A. Sharma, J. S. Ahn, S. Guha, and S. Cheong, Nature 429, 392 (2004). [4] J. H. Kim, S. B. Kim, and Y. J. Choi, Physics and High Technology October 28, 6 (2019). [5] H. N. Ok, Mössbauer spectrosopy, Mineum Sa, Seoul (1983) pp. 27~50. [6] C. S. Kim, Sae Mulli. 50, 53 (2005). [7] Y. Cao, M. Xiang, W. Zhao, G. Wang, Z. Feng, B. Kang, A. Stroppa, J. Zhang, W. Ren, and S. Cao, J. Appl. Phys. 119, 063904 (2016). [8] S. Yu-Quan, Z. Wei-Ping, F. Yong, Y. Yan-Ting, W. Liao-Yu, W. Dun-Hui, and D. You-Wei, Chin. Phys. B 23, 077505 (2014). [9] S. B. Kim, S. J. Moon, S. J. KIm, and C. S. Kim, J. Magn. Magn. Mater. 310, e592 (2007). [10] S. B. Kim, E. J. Hahn, and C. S. Kim, J. Korean Phys. Soc. 75, 466 (2019). [11] T. Kimura, S. Ishihara, H. Shintani, T. Arima, K. T. Takahashi, K. Ishizaka, and Y. Tokura, Phys. Rev. B, 68, 060403 (2003). [12] R. C. Rai, J. Cao, J. L. Musfeldt, S. B. Kim, S-W. Cheong, and X. Wei, Phys. Rev. B 75, 184414 (2007). [13] P. A. Sharma, J. S. Ahn, N. Hur, S. Park, S. B. Kim, S. Lee, J.-G. Park, S. Guha, and S-W. Cheong, Phys. Rev. Lett. 93, 177202 (2004). [14] S. B. Kim, S. J. Kim, J.-G. Park, S.-W. Cheong and C. S. Kim, J. Appl. Phys. 99, 08Q313 (2006). [15] S. B. Kim, J. H. Yeom, I.-B. Shim, and C. S. Kim, J. Magn. Magn. Mater. 304, e457 (2006). [16] D. H. Kim, S. B. Kim, and C. S. Kim, J. Appl. Phys. 101, 09M104 (2007). [17] W. Wu, V. Kiryukhin, H.-J. Noh, K.-T. Ko, H.-H. Park, W. Ratcliff II, P. A. Sharma, N. Harrison, Y. J. Choi, Y. Horibe, S. Lee, S. Park, H. T. Yi, C. L. Zhang, and S.-W. Cheong, Phys. Rev. Lett. 101, 137203 (2008). [18] N. Ikeda, H. Ohsumi, K. Ohwada, K. Ishii, T. Inami, K. Kakurai, Y. Murakami, K. Yoshii, S. Mori, Y. Horibe, and H. Kito, Nature 436, 1136 (2005). [19] B. K. Bang, S. B. Kim, S-W. Cheong, and C. S. Kim, Phys. Stat. Sol. (b) 244, 4566 (2007). [20] R. Lebrun, A. Ross, S. A. Bender, A. Qaiumzadeh, L. Baldrati, J. Cramer, A. Brataas, R. A. Duine, and M. Kläui, Nature 561, 222 (2018)..

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