Magnetic Properties of Cr-Doped Inverse Spinel Fe3O4 Thin Films

By substituting Cr in inverse-spinel $Fe_3O_4,\;Cr_xFe_{3-x}O_4$ thin film samples were prepared by sol-gel spin-coating method and their structural electronic, and magnetic properties were analyzed. X-ray diffraction indicates that the lattice constant decrease with increasing Cr composition (x). This result can be explained in terms of occupation of octahedral sites by $Cr^{3+}$ ions with smaller ionic radius than that of $Fe^{3+}$ Vibrating sample magnetometry measurements on the samples at room temperature revealed that saturation magnetization ($M_s$) decrease by Cr substitution, explainable by comparing spin magnetic moment among the related transition-metal ions. A decrease of magnetoresistence effect with x was observed, similar to that of $M_s$. The coercivity of the $Cr_xFe_{3-x}O_4$ films was found to increase with x, attributed to the increase of magnetic anisotropy by the existence of octahedral $Cr^{3+}(d^3)$.

Cr 치환된 역스피넬 Fe3O4 박막의 자기적 특성

역스피넬 산화물 $Fe_3O_4$에 Cr을 치환하여 얻어지는 $Cr_xFe_{3-x}O_4$ 박막 시료들을 졸-겔 스핀코팅 방법을 이용하여 제작하고 그 구조적, 전자기적 특성들에 대한 측정 및 분석을 수행하였다. X선 회절 측정 결과, Cr 성분비가 증가함에 따라 격자상수가 소폭 감소하는 것이 관측되었다. 이는 Fe 이온에 비해 이온반경이 상대적으로 작은 Cr 이온이 +3의 이온수를 가지고 8면체 자리를 치환하는 것으로 설명 가능하다. 시료들에 대한 진동시료자화를 측정한 결과, Cr 성분비 증가에 따라 포화자화량이 $Fe_3O_4$에 비하여 점차적으로 감소하였는데, 이는 8면체 자리의 $Fe^{3+}(d^5)$와 $Cr^{3+}(d^3)$ 나타내는 스핀 자기능률 값의 비교를 통하여 설명 가능하다. 또한, 자기저항 효과도 Cr 성분비 증가에 따라 포화자화량과 유사한 추세로 감소하였다. $Cr_xFe_{3-x}O_4$ 박막 시료들의 보자력은 Cr 성분비 증가에 따라 증가함을 보였는데, 이는 $Cr^{3+}$ 이온의 8면체 자리 치환에 따른 자기 이방성의 증가에 기인하는 것으로 해석된다.