The Effect of Non Magnetic ion Substitution for the FeCr2-xMxS4(M=Ga, In) by Mossbauer Spectroscopy

The sulphur spinel $FeCr_{2-x}M_xS_4$(M=Ga, In) have been studied with Mossbauer spectroscopy, x-ray diffraction (XRD), and vibrating sample magnetometer. The XRB patterns for samples $FeCr_{2-x}M_xS_4$(M=Ga, In: x=0.1, 0.3) reveal a single phase, which the Ga and In ions are partially occupied to the tetrahedral (A) site. The Neel temperature for the Ga substituted samples increases from 180 to 188 K, with increase from x=0.1 to 0.3. While, it decreases from 173 to 160 K, for the In substituted samples of the x=0.1 and 0.3, respectively. The Mossbauer spectra were collected from 4.2 K to room temperature. We have analyzed the Mossbauer spectra using eight Lorentzian lines fitting method for the $FeCr_{2-x}In_xS_4$(x=0.1) at 4.2 K, yielding the 1311owing results; $H_{hf}=146.0kOe,\;{\Delta}E_Q=1.88mm/s,\;\theta=36^{\circ},\;\phi=0^{\circ},\;\eta=0.6$, and R=1.9. The Ga ions enter into the both sites octahedral (B) and tetrahedral (A), simultaneously the same amounts of Fe ions migrate from the A to the B site, this result is an agreement with XRD results, too. The ${\Delta}E_Q$ of the A and B site in Mossbauer spectra of the samples $FeCr_{2-x}Ga_xS_4$(x=0.3) are 0.83 and 2.94mm/s, respectively. While they are 0.56 and 2.36mm/s for the $FeCr_{2-x}In_xS_4$(x=0.3). It is noticeable that the ${\Delta}E_Q$ for the Ga doped samples are larger than that of the corresponding In doped samples, in spite of the larger ionic radius for In ions. The bond lengths of Cr-S, for the Ga and In doped samples (x=0.3) are found to be 2.41 and $2.43\;{\AA}$, respectively. We interpret that the larger covalence effect from the smaller bond length induces a large asymmetric charge distribution. Finally, it gives a large quadrupole interaction.

비자성 이온 Ga, In이 치환된 유화물 스피넬의 뫼스바우어 분광학 연구

단일상 $FeCr_{2-x}M_xS_4$ (M=Ga, In; x=0.1, 0.3)에 대하여 x-선 회절기(XRD), 진동 시료 자화율 측정기(VSM), 뫼스바우어 분광기를 이용하여 비자성 이온의 치환효과를 연구하였다. 결정구조는 Rietveld프로그램을 이용하여 공간그룹이 Fd3m[Fe, Ga, In(8a); Cr, Ga, In(160); S(32e) (u, u, u)]인 입방 스피넬 구조임을 확인하였다. 비자성 이온 Ga이 치환된 시료의 경우, Ga이 치환 될수록 격자상수가 10.007에서 $9.996\;{\AA}$,으로 감소하는 반면, In이 치환된 시료의 경우, In이 치환 될수록 격자상수가 10.029에서 $10.092\;{\AA}$로 증가함을 확인하였다 VSM측정 결과 Ga과 In이 치환 될수록 Neel온도는 각각 180에서 188K, 173에서 160K로 변화하였는데, 이것은 격자상수의 변화에 따른 사면체 자리(A자리)와 팔면체 자리(B 자리)의 초교환 상호작용 세기의 변화로 해석 할 수 있었다 $4.2K\~300K$의 온도범위에 걸쳐서 뫼스바우어 스펙트럼을 분석한 결과 Fe이온이 각각 A자리와 B자리에 점유함을 확인 할 수 있었다. 이것은 비자성 이온 Ga과 In 이 A자리의 Fe이온의 비대칭적인 전하 분포를 야기시키는 것으로 해석할 수 있었다. 또한 Cr-S의 결합거리를 비교해 본 결과, $FeCr_{2-x}Ga_xS_4$(x=0.3)와 RFeCr_{2-x}In_xS_4$ (x=0.3)가 각각 2.41, $2.43\;{\AA}$로$FeCr_{2-x}Ga_xS_4$(x=0.3)의 결합거리가 작아 공유 결합력이 커짐에 따라 비대칭적인 전하 분포를 유도함으로 해석할 수 있다. 이는 큰 전기 사중극자를 유도하는 결과와 일치함을 알 수 있었다.