Verwey transition appears due to the structural change at transition temperature. It is founded by P. Nov´ak that Fe NMR spectrum is split from the single peak to the multiple peaks crossing the transition temperature down. This means that there are several different chemical environment is for Fe ions.
Near the vicinity of the transition temperature, NMR signals are changed drastically. In this work, We used NMR to study Verwey transition of nano-sized magnetite particles.
P. Novak performed the experiment with a single crystal line Magnetite. If a sample is not a single crystal, atoms at the same position of unit cells can be at the different environments. So the worse the crystallinity is, the broader the NMR spectrum is.
In the case of bulk powder, crystallinity is not good. The width of the bulk powder spectrum obtained at 130 K is 0.0311 MHz and that of 13 nm nano-particles is 0.0395 MHz. The width of the nano-particle spectrum is greater by 27 %. Therefore, one of the reasons of the broaden peak is bad crystallinity.
Magnetite는 과거 자석으로 사용되던 이후로 1960년대 Verwey transition이 관측 되었으며 최근 spin valve 후보 물질로서 가능성이 주목받고 있다. 현재의 시스템에서는 나노크기의 입자 혹은 박막이 필요하다. 하지만 보통의 관측장비로 Verwey transition을 관측하기 위해서는 비슷한 크기의 장비가 필요하다. 이는 샘플의 크기가 작아질수록 관측이 어려워 진다는 것을 의미한다.
이에 NMR은 미시적인 샘플에 대하여 거시적인 관측장비를 사용할 수 있다는 장점이 부각된다. 또한 NMR을 통한다면 비파괴적으로 샘플에 큰 영향을 끼치지 않는 상태에서 관측이 가능하다.
Verwey transition은 전이 온도 전후로 하여 구조적 변형이 일어나며 전자들의 호핑이 막혀 B site 철 원자는 각각 자신의 전자들을 묶게 된다. 따라서 NMR 신호는 여러개로 갈라지게 되며, 이는 실험과정에서 입자사이의 거리, 산화 상태, Stoichiometry 등등의 영향으로 넓어질 수 있다.
본 실험에서의 결과는 Stoichiometry가 3:4를 이루지 못하여 단결정 물질에서의 peak 보다는 넓어진 결과를 볼 수 있었으나, transition temperature로 볼 수 있는 위치에서 FWHM이 갑자기 달라지는 모습을 볼 수 있었다. 이는 Verwey transition이 일어났음은 명백히 알 수 있는 결과이다.
