Quantitative measurements of size-dependent magnetoelectric coupling in Fe3O4 nanoparticles

우리 학부 김기훈 교수 창의 연구단 (제1저자: 유경준 학생)과 연세대 천진우 교수 IBS 연구단이 공동으로 수행하여 발표한 최근 논문에서, 산화철 (Fe3O4; 마그네타이트) 나노 입자에서 전기적 성질이 자기장에 의해 바뀌는 자기전기 효과를 정량적으로 입자 크기와 온도의 함수로 측정하였다. 가장 오래된 대표적인 자성물질중의 하나인 마그네타이트 산화철은 1970년대부터 자기전기효과를 가지는 것으로 알려져 있었으나, 나노 입자에서의 자기전기 효과는 실험적 측정 어려움으로 인해 측정된 적이 없었다.
이 논문에서는, 폴리머 속에 산화철 나노 입자를 섞어 나노 입자의 매우 작은 자기전기효과를 정량적으로 얻을 수 있는 기술을 개발하여 측정결과를 얻을 수 있었다.
연구 결과에 의하면, 입자 반경 5 나노미터 아래에서 자기전기 효과가 사라지지만, 오히려 이 효과가 측정되는 온도 구간은 작은 입자에서 증가하는 현상을 새로이 발견하였다. 이는 자기전기효과가 자성 나노 입자에 존재하는 Verwey 상전이 (125 K 온도 아래에 존재하는 전하-격자-오비탈 정렬현상)와 밀접하게 연관되고, Verwey 상전이가 나노 입자에서 흔히 보이는 핵-표피 (core-shell) 효과에 영향 받음을 시사하는 것이다.
이 연구는 산화철 뿐 아니라, 자기전기 성질을 가지는 다양한 자성 나노 입자에서의 물성 변화를 정량적으로 탐구할 수 있는 계기를 마련했다는 점에서 또 다른 가치를 지니고 있다.

Authors: Kyongjun Yoo (서울대), Byung-Gu Jeon(서울대), Sae Hwan Chun(서울대), Deepak Rajaram Patil(서울대), Yong-jun Lim (연세대), Seung-hyun Noh (연세대), Jihyo Gil (연세대), Jinwoo Cheon * (연세대)and Kee Hoon Kim* (서울대)

Abstract:
Bulk magnetite (Fe3O4), the loadstone used in magnetic compasses, has been known to exhibit magnetoelectric (ME) properties below ~10 K; however, corresponding ME effects in Fe3O4 nanoparticles have been enigmatic. We investigate quantitatively the ME coupling of spherical Fe3O4 nanoparticles with uniform diameters (d) from 3 to 15 nm embedded in an insulating host, using a sensitive ME susceptometer. The intrinsic ME susceptibility (MES) of the Fe3O4 nanoparticles is measured, exhibiting a maximum value of ~0.6 ps/m at 5 K for d=15 nm. We found that the MES is reduced with reduced d but remains finite until d=~5 nm, which is close to the critical thickness for observing the Verwey transition. Moreover, with reduced diameter, the critical temperature below which the MES becomes conspicuous increased systematically from 9.8 K in the bulk to 19.7 K in the nanoparticles with d=7 nm, reflecting the core-shell effect on the ME properties. These results point to a new pathway for investigating ME effect in various nanomaterials.

DOI 10.1021/acs.nanolett.6b02978

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.6b02978