57Fe가 치환된 TiO2의 결정학적 및 뫼스바우어 분광학적 연구

Abstract

<TEX>$Ti_{1-x}$</TEX><TEX>$^{57}$</TEX> F <TEX>$e_{x}$</TEX> <TEX>$O_2$</TEX>(0.0<TEX>$\leq$</TEX>x<TEX>$\leq$</TEX>0.7) 분말을 졸-겔법으로 제조하여 <TEX>$^{57}$</TEX> Fe의 치환량에 따른 결정학적 및 자기적 성질을 연구하였다. X-선 회절 및 중성자 회절실험을 통하며 모든 시료가 anatase 구조를 갖는 순수한 단일상임을 확인할 수 있었다. 진동시료자화율측정기 (VSM)를 통한 자기모멘트의 측정 결과, <TEX>$^{57}$</TEX> Fe의 치환량이 증가함에 따라 상온에서의 Fe 원자 당 자기모멘트 값이 급격히 감소하는 매우 독특한 현상을 관측할 수 있었다. x<TEX>$\leq$</TEX>0.01 치환량을 갖는 시료들은 분명한 강자성 거동을 보였으며, x<TEX>$\geq$</TEX>0.03 치환량을 갖는 시료들에 대해서는 상자성 형태의 자화곡선이 관측되었다. 이에 대하여 14 K 부터 400 K까지 Mossbauer 분광실험을 한 결과 x<TEX>$\leq$</TEX>0.01 치환량을 갖는 시료의 경우 Ti <TEX>$O_2$</TEX>내의 <TEX>$^{57}$</TEX> Fe가 상온에서 강자성(sextet)과 상자성(doublet) 형태로 동시에 존재함을 확인할 수 있었고, x<TEX>$\geq$</TEX>0.03 치환량을 갖는 시료들에 대해선 오직 상자성 상만을 나타내는 날카로운 doublet만이 존재함을 확인할 수 있었다. 이는 Mossbauer와 VSM 두 결과가 잘 일치함을 보여주고 있고, 상온에서 강자성을 나타내기 위한 <TEX>$^{57}$</TEX> Fe의 치환한계가 x=0.01과 0.03 사이에 있음을 말해 주고 있다. 또한, 상온에서 강자성 성질을 갖는 x<TEX>$\leq$</TEX>0.01 시료들로부터 얻은 자기 모멘트 값이 매우 작은 것은 치환된 <TEX>$^{57}$</TEX> Fe의 강자성 상과 상자성 상이 동시에 기여하기 때문에 얻어진 결과로 해석될 수 있다.다. <TEX>$Ti_{1-x}$</TEX><TEX>$^{57}$</TEX> F <TEX>$e_{x}$</TEX> <TEX>$O_2$</TEX>(0.0<TEX>$\leq$</TEX>x<TEX>$\leq$</TEX>0.07) compounds were fabricated using the sol-gel method, and the crystal structure and magnetic properties were investigated as a function of doped <TEX>$^{57}$</TEX> Fe concentration. X-ray diffraction patterns showed a pure anatase single phase, without any segregation of Fe into particulate. With varying <TEX>$^{57}$</TEX> Fe concentration, we could observe unusual magnetic phenomena in these materials. Doping <TEX>$^{57}$</TEX> Fe into the Ti <TEX>$O_2$</TEX> nonmagnetic semiconductor formed magnetic properties, but the gradual increase of <TEX>$^{57}$</TEX> Fe concentration decreased rapidly the ferromagnetic properties rather than enhanced the ferromagnetic properties. Obvious ferromagnetic behavior was shown for the samples with x<TEX>$\leq$</TEX>0.01, while paramagnetic behavior was shown for the sample with x<TEX>$\geq$</TEX>0.03. These phenomena could be verified using Mossbauer measurement. Separation of the ferromagnetic phase (sextet) and the paramagnetic phase (doublet) of the samples with different <TEX>$^{57}$</TEX> Fe concentration was characterized. Samples with x<TEX>$\leq$</TEX>0.01 have sextet and doublet simultaneously, but samples with x<TEX>$\geq$</TEX>0.03 have only doublet at room temperature. This indicates that the sample x<TEX>$\leq$</TEX>0.01 have the ferromagnetic phase at room temperature. This result corresponded with the M-H loops referenced above and reveals an interesting feature that there is a critical limit of <TEX>$^{57}$</TEX> Fe concentration (0.01<x<0.03) to get ferromagnetic properties at room temperature. Also, the observed small magnetic moment per Fe atom of x<TEX>$\leq$</TEX>0.01 samples was fundamentally attributable to the paramagnetic phase as well as the ferromagnetic phase.e.