[김태훈 박사/ 박제근 교수] 나노입자의 산화를 이용한 Verwey 상전이 도핑 효과 재규명 (Nature Communications 논문 게재)
Slow oxidation of magnetite nanoparticles elucidates the limits of the Verwey transition
박제근 서울대학교 물리학과 교수 연구진은 자철석 나노입자의 산화를 이용하여 기존에 알려진 Verwey 상전이의 도핑 효과와 다른 새로운 현상을 관찰하였다. Verwey 상전이 온도는 도핑에 따라 선형적으로 감소하여야 하지만, 나노입자의 '느린' 산화를 통해 상전이 온도가 80 K 까지 감소하였다가 95 K로 다시 증가하는 것을 관찰하였다. 이는 여태까지 보고되지 않은 새로운 발견이다. 연구진은 Fick's law를 기반으로 하는 산화 모델을 세워 통상적이지 않은 산화 효과를 설명하였다. 산화 모델 속에서 나노입자 내에 변형 (strain)과 산화의 균질성 (homogenity)이 나노입자의 산화에서 나타나는 Verwey 상전이 온도의 변화와 일치하다는 것을 밝혔다. 이번 연구성과는 Verwey 상전이의 기존의 알려진 도핑 효과를 재규명하여 새로운 현상을 발견한 것이다. 또한 자철석에만 국한되지 않고 다양한 물질의 복잡한 물리현상에 대한 도핑 효과를 규명할 수 있는 나노입자의 '느린' 산화라는 하나의 방법론을 제시한 데에 의미가 있다.
Abstract: Magnetite (Fe3O4) is of fundamental importance for Verwey transition near TV = 125 K, below which a complex lattice distortion and electron orders occur. Verwey transition is suppressed by chemical doping effects giving rise to well-documented first and second-order regimes, but the origin of the order change is unclear. Here, we show that slow oxidation of monodisperse Fe3O4 nanoparticles leads to an intriguing variation of Verwey transition: an initial drop of TV minima 70 K after 75 days and a followed recovery to 95 K after 160 days. A physical model based on both doping and doping-gradient effects accounts quantitatively for this evolution from inhomogeneous to homogeneous doping level. This work demonstrates that slow oxidation of nanoparticles can give exquisite control and separation of homogeneous and inhomogeneous doping effects on Verwey transition and offers opportunities for similar insights into complex electronic and magnetic phase transitions in other materials.
그림. 산화에 따른 Verwey 상전이 온도 (Tv) 의 변화. 기존의 알려진 선형적인 감소가 아니라, 80 K의 최소값에서 95 K까지 다시 복원이 된다. 이는 산화로 유도된 변형 및 균질성에 의해 설명될 수 있다. 각 상전이 온도는 자성, X선 회절, 핵자기 공명 스펙트럼, 비열 측정을 통해 정의되었다.
참여 연구원: 김태훈, 심상우, 임수민, Midori Amano Patino, 홍재영, 이지수, 현택환, Yuichi Shimakawa, 이순칠, J. Paul. Attfield, 박제근
Nature Communications 12, 6356 (2021)
Link1: https://www.nature.com/articles/s41467-021-26566-4