Analysis on Optical Properties of Transition-metal Substituted Ferromagnetic T0.2Fe2.8O4 (T = V, Cr, Mn) Compounds

Optical properties of $T_{0.2}Fe_{2.8}O_4$ (T = V, Cr, Mn) thin films derived from ferrimagnetic $Fe_3O_4$ were investigated by spectroscopic ellipsometry in the 1~8 eV photon-energy range. The difference in optical-absorption spectrum between the ternary compounds and $Fe_3O_4$ was analyzed based on preferable sites in spinel structure and iconicity of the doped V, Cr, and Mn ions. The observed absorption spectra from $Fe_3O_4$ and the ternary compounds can be interpreted as mainly due to charge-transfer transitions of Fe d electrons characterized by absorption structures with wide energy width. Also, the observed absorption structures with narrow energy width can be interpreted as due to crystal-field transitions between different d electron configurations of tetrahedral $Fe^{3+}(d^5)$ ion. The transitions were described in terms of spin-polarized electronic states of $Fe_3O_4$.

전이금속 원소가 치환된 준강자성체 T0.2Fe2.8O4(T = V, Cr, Mn) 화합물의 광학적 성질 분석

준강자성체(ferrimagnet) $Fe_3O_4$를 기반 물질로 하여 주기율표 상에서 Fe와 인접한 전이금속 원소 T(= V, Cr, Mn)가 도핑된 삼원화합물($T_{0.2}Fe_{2.8}O_4$) 박막 시료들을 제작하여 그 광학적 성질을 1~8 eV 범위 내에서 분광타원해석법(spectroscopic ellipsometry)을 이용하여 측정하고 $Fe_3O_4$에서의 결과와 비교하였다. V, Cr, Mn 도핑 시 선호되는 스피넬(spinel) 구조 상의 양이온 자리(site) 및 이온수(ionicity)와 연관된 전자구조 상의 변화에 근거하여 삼원화합물과 $Fe_3O_4$의 흡수 스펙트럼 차이의 원인을 분석하였다. $Fe_3O_4$ 및 전이금속 도핑된 화합물들에서 관측된 광학적 흡수 스펙트럼은 주로 Fe 이온의 d 전자가 관련된 이온 간의 전하이동전이(charge-transfer transition)에 의하여 발생하는 에너지 폭이 넓은 흡수구조들의 기여에 의한 것으로 해석된다. 또한, 흡수 스펙트럼에서 관측된 좁은 에너지 폭의 구조들은 사면체 자리에 존재하는 $Fe^{3+}(d^5)$ 이온 내의 d 전자들에 의한 결정장 전이(crystal-field transition)에 기인한 것으로 해석된다. 이와 같은 전이들과 관련된 전자상태들을 스핀편극된 $Fe_3O_4$ 전자구조를 토대로 기술하였다.