Magnetic Properties of Mn-substituted Magnetite Thin Films

Abstract

Mn 치환이 역스피넬 산화물 $Fe_3O_4$에 미치는 영향을 조사하기 위하여 졸겔 스핀코팅 방법을 이용하여 다결정 $Mn_xFe_{3-x}O_4$ 박막을 Si(100) 기판 위에 제작하고 그 구조적, 자기적, 자기저항특성들에 대한측정 및 분석을 수행하였다. X-선 회절 측정 결과, Mn 성분비가 증가함에 따라 x = 1.78까지 입방 구조를 유지하며, 그 격자상수는 증가함을 나타내었다. 이와 같은 격자상수 증가의 주된 원인으로 사면체 자리를 선호하는 $Mn^{2+}$ 이온이 이온반경이 상대적으로 작은 사면체 자리의 $Fe^{3+}$ 이온을 치환함에 의한 것으로 해석된다. 박막들에 대한 진동시료자화 측정 결과, Mn 성분비 증가에 따라 포화자화량은 큰 변화를 나타내지 않았는데, Mn과 Fe 이온들의 스핀 자기능률 값 비교를 통하여 그 정성적인 설명이 가능하다. 반면 Mn의 농도가 증가함에 따라 보자력은 감소하였는데, 이는 $Mn^{2+}$ 치환에 의한 $Fe^{2+}$ 이온 농도의 감소에 따르는 자기 이방성의 감소에 기인하는 것으로 해석된다. 자기저항 효과측정 결과, Mn 성분비 증가에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 자화 의존도 변화와 비교분석 결과 다결정 $Mn_xFe_{3-x}O_4$ 박막 시료들에서 나타나는 자기저항은 스핀분극된 carrier의 grain boundary tunneling 및 spin-flip 현상에 의한 것으로 해석된다. Polycrystalline $Mn_xFe_{3-x}O_4$ thin films were synthesized on Si(100) substrates using sol-gel method and the effects of Mn substitution on the structural, magnetic, and magnetotransport properties were analyzed. X-ray diffraction revealed that cubic structure is maintained up to x = 1.78 with increasing lattice constant for increasing x. Such increase of the lattice constant is attributable to the substitution of $Mn^{2+}$ (with larger ionic radius) ions into tetrahedral $Fe^{3+}$(with smaller ionic radius) sites. VSM measurements revealed that $M_s$ does not vary significantly with x, qualitatively explainable by comparing spin magnetic moments of Mn and Fe ions. On the other hand, $H_c$ was found to decrease with increasing x, attributable to the decrease of magnetic anisotropy due to the decrease of $Fe^{2+}$ density through $Mn^{2+}$ substitution. Magnetoresistance (MR) of the $Mn_xFe_{3-x}O_4$ films was found to decrease with increasing x. Analysis of the MR data in comparison with the VSM results gives an indication of the tunneling of spin-polarized carriers through the grain boundaries of the polycrystalline samples at low external field and spin-flip of the carriers at high external field.