Effects of Vanadium Doping on Magnetic Properties of Inverse Spinel Fe3O4 Thin Films

Effects of V substitution of Fe on the magnetic properties of $Fe_3O_4$ have been investigated by x-ray diffraction (XRD), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), conversion electron Mossbauer spectroscopy (CEMS), and vibrating sample magnetometry (VSM) measurements on sol-gel-grown films. XRD data indicates that the $V_xFe_{3-x}O_4$ films maintain cubic structure up to x=1.0 with little change of the lattice constant. Analyses on V 2p and Fe 2p levels of the XPS data indicate that V exist as $V^{3+}$ mostly in the $V_xFe_{3-x}O_4$ films with the density of $V^{2+}$ ions increasing with increasing V content. Analyses on the CEMS data indicate that $V^{3+}$ ions substitute tetrahedral $Fe^{3+}$ sites mostly, while $V^{2+}$ ions octahedral $Fe^{2+}$ sites. Results of room-temperature VSM measurements on the films reveal that the saturation magnetization for the x=0.14 sample is larger than that of $Fe_3O_4$, while it becomes smaller than that of $Fe_3O_4$ for $x{\geq}0.5$. The coercivity of the $V_xFe_{3-x}O_4$ films is found to increase with x, attributed to the increase of anisotropy by the substitution of $V^{2+}(d^3)$ ions into the octahedral sites.

역스피넬 Fe3O4 박막의 바나듐 도핑에 따르는 자기적 성질 변화

바나듐(V)도핑이 $Fe_3O_4$의 자기적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위하여 졸-겔 방법을 이용하여 $V_xFe_{3-x}O_4$ 박막들을 제작하고, x-ray diffraction(XRD), x-ray photoelectron spectroscopy(XPS), conversion electron Mossbauer spectroscopy(CEMS), vibrating sample magnetometry(VSM) 등을 이용하여 그 구조적, 자기적 특성들을 측정 및 분석하였다. XRD 측정 결과에 따르면 $V_xFe_{3-x}O_4$ x=1.0까지 입방(cubic)구조를 유지하며, 그 격자 상수는 거의 변화하지 않았다. 바나듐의 2p 및 철의 2p 준위들에 대한 XPS 측정 및 분석 결과, 바나듐은 화합물 내에서 주로 +3가의 상태로 존재하며, 성분비 x가 증가함에 따라 +2가 이온의 농도가 증가함이 나타났다. CEMS측정 결과 $V^{3+}$이온들은 사면체 $Fe^{3+}$자리를 주로 치환하며, $Fe^{2+}$이온들은 팔면체 $Fe^{2+}$자리를 치환하는 것으로 나타났다. 박막들에 대한 상온에서의 VSM측정 결과, 바나듐을 작은 양 도핑 할 경우(x=0.14) $V_xFe_{3-x}O_4$의 포화자화량(saturation magnetization)은 $Fe_3O_4$ 비하여 증가함이 나타났으며, 다량 도핑 할 경우$(x\geq0.5) Fe_3O_4$에 비하여 점차적으로 감소함이 나타났다. $V_xFe_{3-x}O_4$의 보자력(coercivity)은 x의 증가에 따라 증가함이 나타났는데, $V^{2+}(d^3)$ 이온의 팔면체 자리 치환에 의한 비등방성의 증가에 기인하는 것으로 해석된다.