In this study, the magnetic properties of $\alpha$- and $\gamma$- phases of iron oxides ($Fe_2O_3$) were investigated by the nuclear magnetic resonance (NMR) method.
First, we investigated the magnetic properties of maghemite ($\gamma - Fe_2O_3$) powder sample. As a result, we found that the hyperfine field at the nuclear spins in the octahedral site (50.2 T) was larger than that in the tetrahedral site (49.3 T). Moreover, we confirmed that the field dependence of resonance frequency indicates that the spins at the octahedral site are nearly antiparallel with external field, while those at the tetrahedral site are parallel but canted.
Second, we performed NMR experiment on 40 nm sized maghemite nanoparticles. We confirmed that the spins are canted with different angles from those of bulk sample. The canting angles of the nanoparticle and the bulk at the tetrahedral site are the same within experimental error. However, the canting angle of the nanoparticle at the octahedral site shows slight increase which exceeds the experimental error range.
Last, we investigated the magnetic properties of a natural haematite ($\alpha - Fe_2O_3$) crystal at the temperature of liquid helium using magnetometry and $^{57}Fe$ nuclear magnetic resonance (NMR) methods. The magnetization curve shows that the net magnetization in the (111) plane vanishes at the Morin temperature (260 K) but weakly reappears as the temperature decreases below 40 K. A comparison of the magnetization and NMR results indicates that the spin state, direction and canting angle, at a low temperature is identical to that in a weak-ferromagnetic state above the Morin temperature. Its volume, however, occupies only 3 % of the entire sample. The rest of the spins align in the [111] direction antiferromagnetically. The relaxation of magnetization with time, the difference of the zero-field-cooled and field-cooled magnetization, and the rise of the NMR echo intensity with increasing magnetic field exhibit the superparamagnetic behaviour of the reentrant weak ferromagnetic phase. The cluster size of the weak ferromagnetic phase is smaller than $10^2$ nm and the blocking temperature is higher than 40 K. The fact that the results from the natural crystal and pure powder are similar implies that the reentrant weak-ferromagnetic phase at a low temperature is due to the intrinsic magnetic instability of haematite.
본 연구에서는 핵자기 공명 (NMR) 방법을 이용하여 서로 다른 $\alpha$- 와 $\gamma$- 상태의 철 산화물 ($Fe_2O_3$)의 자기적 성질을 알아보았다.
먼저 우리는 덩어리 (bulk) 상태의 산화제이철 ($\gamma - Fe_2O_3$) 의 자기적 성질을 알아 보았다. 그 결과 상온에서 팔면체 위치에 있는 핵이 느끼는 초미세 자기장의 크기는 50.2 T 로 사면체 위치에 있는 핵이 느끼는 초미세 자기장의 크기인 49.3 T 보다 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 저온에서 외부자기장에 대한 핵자기 공명 주파수의 변화로부터 팔면체에 있는 스핀은 외부 자기장에 대해 거의 반 평행하고, 사면체에 있는 스핀은 평행하지만 기울어져 있음을 확인 하였다.
다음으로 우리는 40 nm 크기를 가진 산화제이철 나노 입자에 대한 핵자기 공명 실험을 수행하였다. 그 결과 덩어리 상태의 시료와는 다른 상태로 스핀이 기울어져 있음을 확인하였다. 사면체 위치에 있는 스핀은 실험 오차 범위 내에서 나노 입자와 덩어리 상태 모두 같은 기울임 각을 가지지만 팔면체 위치에 있는 스핀의 기울임 각은 덩어리 상태일 때 보다 약간 커진다.
마지막으로 우리는 자기력계와 핵자기 공명 방법을 이용하여 자연적으로 존재하는 적철석 ($\alpha- Fe_2O_3$) 단결정의 자기적 성질을 알아 보았다. 자화 곡선 (M(T)) 을 측정해본 결과 Morin 온도인 260 K 근처에서 (111) 평면상으로 존재하던 총자화가 사라지지만 40 K 아래에서 온도가 낮아짐에 따라 약하지만 다시 나타남을 알 수 있었다. 자화와 NMR 결과를 비교해본 결과 저온에서의 스핀 상태 즉 방향과 기울임각은 Morin 온도 위에서의 약 강자성 상태일 때와 동일함을 알 수 있었다. 하지만 이 상태로 존재하는 스핀의 양은 전체 시료의 약 3 %에 해당하고, 나머지 부피에 있는 스핀은 [111] 방향으로 반 강자성 정렬한 상태로 존재한다. 시간에 따른 자화의 완화, ZFC 와 FC 자화 곡선의 차이, 그리고 자기장이 증가함에 따라 NMR 메아리 신호 크기가 증가하는 결과들로부터 저온에서의 재진입한 (reentrant) 약 강자성 상이 초상자성 행동을 보임을 알 수 있었다. 이러한 약 강자성 상의 뭉치 크기는 $10^2$ nm 보다 작고 방해온도는 40 K 보다 높다. 자연 결정과 순수 분말의 결과들이 서로 유사하다는 사실로부터 저온에서의 재진입 약 강자성 상은 적철석의 본질적인 자기적 불안정성에 의한 것으로 생각된다.
