Abstract
The electronic structures of $TCr_2O_4$ (T = Fe, Co, Ni) spinel oxides have been investigated by employing synchrotron radiation-based soft X ray absorption spectroscopy (XAS). The measured 2p XAS spectra of transition-metal ions reveal that Cr ions are trivalent ($Cr^{3+}$), and all the T (T = Fe, Co, Ni) ions are divalent ($Fe^{2+}$, $Co^{2+}$, $Ni^{2+}$). It is also found that most of T (T = Fe, Co, Ni) ions occupy the A sites under the tetrahedral symmetry, while Cr ions occupy mainly the B sites under the octahedral symmetry. These findings show that the structures of $TCr_2O_4$ (T = Fe, Co, Ni) are very close to the normal spinel structures. Based on these findings, it is expected that Jahn-Teller (JT) effects are important in $FeCr_2O_4$ and $NiCr_2O_4$. In contrast, $CoCr_2O_4$ maintains the cubic structure without having the JT distortion since both $Cr^{3+}$ and $Co^{2+}$ ions are non-JT ions. This work suggests that the antiferromagnetic interaction between $Cr^{3+}$ and $T^{2+}$ ions plays an important role in determining the magnetic properties of $TCr_2O_4$ (T = Fe, Co, Ni).
이 연구에서는 방사광 연 X선 광흡수 분광법(soft x-ray absorption spectroscopy: XAS)을 이용하여 $TCr_2O_4$(T = Fe, Co, Ni) 스피넬 산화물들의 전자 구조를 연구하였다. 전이금속 이온들의 2p 준위의 흡수에 의한 XAS 측정으로부터 T(T = Fe, Co, Ni) 이온들의 원자가는 공통적으로 2가($T^{2+}$)이며, Cr 이온의 원자가는 3가 ($Cr^{3+}$) 임을 발견하였다. 그리고 T 이온들은 정사면체 대칭성을 가진 A 사이트에 주로 위치하고, Cr 이온은 정팔면체 대칭성을 가진 B 사이트에 주로 위치함을 알 수 있었는데, 이러한 발견을 통하여 $TCr_2O_4$는 정상 스피넬에 가까운 구조를 가지고 있다고 결론지을 수 있다. 또한 $FeCr_2O_4$와 $NiCr_2O_4$에서는 얀-텔러 변형이 중요한 역할을 하지만, $CoCr_2O_4$는 얀-텔러 변형이 없는 입방체 구조를 유지하는 원인을 알 수 있었다. 그러므로 $TCr_2O_4$에서 $Cr^{3+}$ 상태의 이온들과 $T^{2+}$ 상태의 이온들 간의 반강자성 결합이 이 산화물들의 자성 특성을 결정하는데 중요한 역할을 한다고 생각된다.
