PHONON AND MAGNON SCATTERING STUDIES ON HEXAGONAL BARIUM FERRITE

Abstract

육방구조 바륨 페라이트 BaFe12O19는 영구 자석, 마이크로파 장치, 자기기록 장치 등에 크게 응용되고 있으며, 반세기 전 처음 발견된 이래로 연구인들의 지속적인 관심을 받아오고 있다. 본 연구에서는 BaFe12O19 단결정을 라만 분광법으로 실험하여 몇 가지 흥미로운 결과를 얻었다. 주요한 내용은 다음과 같다. 1.BaFe12O19 단결정의 라만 산란에서 200~800 cm-1의 낮은 진동수 영역과 1100~1700 cm-1의 높은 진동수 영역에서 나타나는 스펙트라를 서로 비교 관찰하였다. 높은 진동수 영역에서는 두 개의 포논들이 동시에 여기되는 현상(second-order phonons)과 함께 매그논으로 추정되는 선폭이 큰 픽(peak)들을 관찰할 수 있었다. 2.선폭이 큰 픽들의 근원을 확인하기 위하여 시료에 20~250K의 온도변화를 주어가며 편광 라만 측정을 하여 이 픽들이 매그논에서 유래함을 확인하였다. 그리고 BaFe12O19에 대한 기존의 연구에서 이론적으로 계산되어 있는 교환적분(exchange integral) 값을 실험적으로 도출해 낼 수 있었다. 3.BaFe12O19 단결정이 80K 와 200K 부근에서 특이한 현상을 보이는 것을 관찰하였다. 이들 온도 부근에서 스핀의 정렬상태에 변화가 있을 것으로 추정한다. 본 라만 연구를 통해 육방구조 BaFe12O19 단결정의 매그논, 즉 스핀 파동을 관찰하였고 스핀들 간의 교환적분값을 광학적 방법에 의해 도출해 내었다. 또한 육방구조 BaFe12O19 단결정에 80K와 200K의 두 개의 자기적 전이온도가 있음을 발견하였다.;A Raman study on hexagonal barium ferrite (BaFe12O19) single crystal has been carried out and several challenging results were found. The main findings are as follows: 1. Γ-point phonons in the low frequency range from 200~800 cm-1 and in the high frequency range from 1100~1700 cm-1 were observed. Phonon mixings and magnons in the high frequency range were found which had not been reported before. Several high frequency peaks could be assigned to the second order phonons and the other broad Raman peaks to magnons. 2. To ascertain whether the broad peaks indicate magnon scatterings, studies on the temperature dependence of polarized Raman spectra of the sample in the range of 20~250K were carried on. And the exchange integrals, which were calculated theoretically in a previous work, could be verified experimentally. 3. BaFe12O19 single crystal shows abnormal behavior near ~80K and ~200K. About those points, changes of spin orderings are expected. This is the first report of the Raman spectra on spin-waves of hexagonal BaFe12O19 single crystal and provides an optical method for quantitative estimation of the spin exchange interactions in it. In the course of studies, two magnetic transition temperatures were discovered.