Y-type hexaferrite는 MHz부터 수 GHz까지의 대역에서 안테나, 전파 흡수체와 같은 RF디바이스 소자로 이용되며, 상온에서 발현 가능성이 있는 Magnetoelectric (ME) effect 특성으로 많은 연구가 진행되고 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 직접합성법으로 제조한 Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) 물질의 결정학적 특성과 자기적 특성을 연구하였다.
X-선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 실험을 통하여 Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) 물질의 결정학적 특성을 분석하였다. Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) 물질은 R-3m의 공간군을 갖는 rhombohedral 구조로 분석되었다. Zn의 치환량이 증가함에 따라 격자상수는 선형적으로 증가하였으며, Zn 치환량이 증가해도 c0/a0 비율이 크게 변하지 않으므로, 이는 hexagonal 결정 구조가 잘 유지 되었다.
온도와 자기장에 따른 자기적 특성 변화를 측정하기 위하여 시료 진동형 자화율 측정기 (Vibrating sample magnetometer, VSM)을 이용하여 측정하였다. x ≤ 1.5의 시료들은 helicalmagnetic 스핀구조에서 collinear ferromagnetic 스핀구조의 자기 상전이가 일어났고, Zn의 치환량이 증가할수록 자기 상전이 온도 (TS)가 감소하였다. 퀴리온도 (TC) 또한 Zn 이온의 치환량이 증가함에 따라 감소하였다. 4.2 K와 230 K에서의 자기이력곡선에서 포화자화 (Ms) 값은 Zn 치환량이 증가될수록 선형적으로 증가하였다. 하지만, 295 K에서의 포화자화 값은 Ba2Co0.5Zn1.5Fe12O22 일 때 최대 값을 가졌다. 이 결과는 Ba2Zn2Fe12O22의 낮은 퀴리온도에 의해 열교란효과의 증가로 스핀 정렬이 방해 된 것으로 고찰된다.
Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) 시료에 대하여 미시적 자기 특성과 초미세 상호작용을 관찰하기 위하여 Mossbauer spectroscopy 측정을 이용하였다. Y-type hexagonal ferrite의 결정학적 부격자인 3bVI, 6cIV*, 6cVI, 18hVI, 6cIV, 3aVI에 해당하는 Fe site들은 퀴리온도 이하에서 Lorentzian 6-sextets으로 분석하였다. 295 K에서 Zn 이온의 치환량이 증가할수록 초미세자기장이 감소하는 현상을 보였고, 평균 이성질체 이동치 (isomer shift) 값은 0.24 mm/s 이며, Fe 이온들은 Fe3+ 상태임을 확인 할 수 있었다. 또한, Zn 치환량이 증가할수록 퀴리온도의 감소에 의한 열교란 효과의 증가로 평균 선폭치가 증가함을 관찰하였다. 각 부격자의 면적비를 통해, Zn 이온들이 tetrahedral site에 해당되는 6cIV*, 6cIV site를 선호하여 치환됨을 알수있으며, 이는 down spin site인 6cIV*, 6cIV site에 치환되어 Zn 치환량이 증가할수록 포화자화가 증가하는 것과 일치하였다. 온도에 따른 초미세자기장의 변화는 온도가 증가할수록 감소하였는데, helicalmagnetic 스핀구조에서 collinear ferrimagnetic 스핀구조로 자기 상전이가 일어나는 부근은 초미세자기장 값은 기울기가 변하며 크게 증가하는 현상을 보였다. 이는 ZFC 측정 결과와 일치하였다.
또한, 외부자기장을 인가한 Mossbauer spectrum으로부터, 가해진 외부자기장과 초미세자기장 사이의 canting angle을 계산하였다. 그 결과 Zn 치환량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.

Recently, the Y-type hexaferrite have been extensively studied for radio frequency (RF) applications such as microwave device and electromagnetic (EM) wave absorber materials at few GHz and magnetoelectric (ME) effect. The Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) samples were synthesized using the conventional solid-state reaction method. In this study, we have examined the crystal structure and magnetic properties of the Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) samples using x-ray diffractometer (XRD), vibrating sample magnetometer (VSM) and Mossbauer spectroscopy.
The crystal structure of the Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) samples were determined to be rhombohedral with the space group R-3m. The lattice constants a0, c0 and unit cell volume (Vu) of samples increased with increasing Zn concentration. With increasing Zn substitution, the hexagonal crystal structure is maintained with the constant values of c0/a0 between all samples.
The magnetic properties of Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) samples were measured by VSM. x ≤ 1.5 samples showed the spin transition from helicalmagnetic state to collinear ferrimagnetic state, and the spin transition temperature (Ts) decreases with increasing Zn substitution. In addition, we have observed that the increasing Zn results in the decreas in Curie temperature (Tc) due to the smaller super-exchange interaction. From the hysteresis curves measured, the saturation magnetization (Ms) linearly increases with increasing Zn contents at 4.2 and 230 K. However, the experimentally measured Ms at 295 K shows maximum value around x = 1.5. The results suggest that TC reduces as Zn content increases, since the strong thermal agitation effect disturbs the spin alignment of the samples with lower TC.
The microscopic interactions of Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) samples were investigated with Mossbauer spectroscopy. With Fe sites corresponding to the 3bVI, 6cIV*, 6cVI, 18hVI, 6cIV and 3aVI of the Y-type hexagonal crystallography sites, all spectra below Curie temperature were analyzed by Lorentzian 6-sextets. From the Mossbauer spectra of 295 K, average value of hyperfine field <Hhf> decreased with increasing Zn concentration. Within experimental error, the value of <δ> is about 0.24 mm/s, indicating that the iron ions have typical value of Fe3+ with high spin. In addition, we observed the average line-width <Γ> (FWHM) broadening with increasing Zn concentration due to enhance thermal agitation effect with decreasing TC. The site occupation numbers of Fe3+ (NFe(i)) calculated with the fitted relative areas (S(i) for i = 1-6) of the Mossbauer sub-spectrum, reveals that Zn ions affects the area of NFe(i) when substituted. With increasing non-magnetic Zn ions substitution, the occupation number of down-spin site (6cIV, and 6cIV*) decreases. Therefore, Zn ions preferentially occupy the tetrahedral sublattices, leading to increase in MS.
Mossbauer spectra of the Ba2Co2-xZnxFe12O22 (x = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) samples were obtained at various temperatures from 4.2 to 295 K. From the temperature dependence of the magnetic hyperfine field (Hhf) for each subspectrum, Hhf of six subspectra decreased with increasing temperature. This reduction of Hhf is due to the decrease in the super-exchange interaction via a Fe3+-O-2-Fe3+ linkage. Also, we have observed abruptly changes in Hhf at TS. Its results slope corresponds to the ZFC magnetization curve. Also, the canting angle between external magnetic field and hyperfine field direction was calculated. With increasing Zn concentration, the canting angle was decreased.