Structural and Magnetic Properties of (Mn, Cr)xCo1-xFe2O4 Thin Films Prepared by Sol-gel Method

By substituting Mn or Cr for Co in inverse spinel $CoFe_2O_4,\;Mn_xCo_{1-x}Fe_2O_4\;and\;Cr_xCo_{1-x}Fe_2O_4$ and thin films were prepared by sol-gel method and their structural and magnetic properties were investigated. X-ray diffraction indicates that the cubic lattice constant increase for the Mn substitution while it hardly changes for the Cr substitution. Substitution of $Mn^{2+}$ for octahedral $Co^{2+}$ sites can explain the increase of lattice constant in $Mn_xCo_{1-x}Fe_2O_4$. On the other hand, Substitution of $Cr^{3+}$ for octahedral $Co^{2+}$ and subsequent reduction of $Fe^{3+}$ ion into $Fe^{2+}$ are expected to happen. Mossbauer spectroscopy measurements on $Cr_xCo_{1-x}Fe_2P_4$ indicate the existence of tetrahedral $Fe^{2+}$ ions that are created through reduction of tetrahedral $Fe^{3+}$ ions in order to compensate charge imbalance happened by $Cr^{3+}$ substitution for octahedral $Co^{2+}$ sites. On the other hand, no $Fe^{2+}$ ions were detected by Mossbauer spectroscopy for $Mn_xCo_{1-x}Fe_2O_4$. A migration of $Fe^{3+}$ ions from octahedral to tetrahedral sites In $Mn_xCo_{1-x}Fe_2O_4$ was detected by Mossbauer spectroscopy for x>0.47. Vibrating sample magnetometry measurements on the samples at room temperature revealed that the saturation magnetization increases by Mn and Cr substitution for certain range of x, qualitatively explainable in terms of the comparison of spin magnetic moment among the related transition-metal ions.

졸-겔 방법을 이용하여 제작된 (Mn, Cr)xCo1-xFe2O4 박막의 구조적, 자기적 특성

역스피넬 산화물 $CoFe_2O_4$에서 Co를 Mn 또는 Cr클 치환하여 얻어지는 $Mn_xCo_{1-x}Fe_2O_4$ 및 $Cr_xCo_{1-x}Fe_2P_4$ 박막시료 들을 졸-겔 방법을 이용하여 제작하고 그 구조적, 자기적 특성들을 비교분석 하였다. X-ray diffraction 측정 결과, Mn 치환의 경우는 치환량의 증가에 따라 격자상수가 증가하였지만 Cr치환의 경우는 격자상수가 거의 변화하지 않음이 관측되었다. 이와 같은 결과는 Mn 치환의 경우 팔면체 자리의 Co이온과 같은 원자가 +2를 가지게 되는 것으로 설명 가능하며 Cr치환의 경우는 +3을 가지게 되어 같은 양의 $Fe^{3+}$이온들의 $Fe^{2+}$로의 환원이 발생하는 것으로 설명되어질 수 있다. $Cr_Co_{1-x}Fe_2O_4$박막들에 대한 Mossbauer 스펙트럼 측정 결과 사면체 자리에 $Fe^{2+}$이온의 존재가 관측되었으며 이는 $Cr^{3+}$이온의 팔면체 자리 치환에 의하여 야기되는 사면체 자리의 $Fe^{3+}{\rightarrow}Fe^{2+}$ 환원에 의한 것으로 해석된다. 반면에 $Mn_xCo_{1-x}Fe_2O_4$ 박막들에 대한 Mossbauer스펙트럼 측정 결과, $Fe^{2+}$ 이온의 존재는 관측되지 않았으며 Mn 치환량이 큰 경우 (>0.47)팔면체 자리의 $Fe^{3+}$이온들의 사면체 자리로의 이동이 관측되었다. 박막들에 대한 진동시료자화(vibrating sample magnetometry)측정 결과, Mn, Cr 치환의 경우 모두 $CoFe_2O_4$와 비교하여 포화자화량이 증가함이 나타났으며 치환에 관여한 이온들 간의 스핀 자기 능률 크기의 비교를 통하여 그 정성적인 설명이 가능하다.