Influence of Ni/Mn Composition on Structure, Magnetization, and FMR-Driven Heating in Spinel Ferrites = 스피넬 페라이트에서 Ni/Mn 조성이 구조, 자화 특성, 그리고 FMR 기반 열 생성에 미치는 영향

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Spinel ferrites, represented as MFe₂O₄, are magnetic oxides known for their wide-ranging functionality. Their magnetic characteristics can be finely controlled by replacing certain cations, which makes them highly valuable for applications in high-frequency systems, microwave technologies, and spintronics. The magnetism in these materials from superexchange interactions between cations located in the tetrahedral (A) and octahedral (B) sites of their cubic spinel structure. Replacing iron (Fe2+) with nickel (Ni²⁺) and manganese (Mn²⁺) ions notably alters these interactions by changing how cations are distributed, affecting the structure’s symmetry, and influencing the magnetic properties. While much is known about the static magnetic traits of NiFe₂O₄ and MnFe₂O₄, less is understood about how Ni/Mn substitution impacts their dynamic magnetic behavior—especially in terms of ferromagnetic resonance (FMR) damping and how efficiently they generate heat under resonance, particularly at the nanoscale, where surface irregularities and structural disorder strongly affect spin movement.



This study explores the structural and magnetic properties, including FMR behavior, of Ni1-xMnxFe₂O₄ ferrites (0 ≤ Mn ≤0.9), which were synthesized hydrothermal methods. By systematically varying the Ni/Mn ratio, it will affect how cation substitution influences lattice structure, particle shape, cation distribution, and the strength of A–O–B superexchange interactions (SEI). A range of magnetic measurements, such as saturation magnetization (Ms) and FMR damping were taken. Additionally, high frequency heating tests were conducted at 4 GHz with an AC magnetic field of 13.57 Oe to measure how much energy heat dissipation (Q̅res) of the materials.

Magnetic measurements revealed a linear enhancement in saturation magnetization (Ms) with increasing Manganese content, reaching a maximum of 76.98 emu/g at Mn= 0.7. Langevin function analysis indicated a simultaneous reduction in the effective magnetic moment (µ) and average magnetic particle size (Dm). The dynamic magnetic properties, evaluated via Vector Network Analyzer Ferromagnetic Resonance (VNA-FMR), demonstrated a strong dependence on composition. The sample with Mn= 0.7 exhibited the highest Gilbert damping constant (α= 0.0660) and the largest g-factor (ɡ = 2.056). Remarkably, this composition achieved the maximum temperature rise (∆Tmax= 200K) under a high-frequency field, despite having a lower energy dissipation rate (Q̅res = 0.3882 MW/g) compared to the Mn=0.9 sample. These findings establish that efficient heat generation in this system is governed not merely by power absorption but by SOC-assisted relaxation mechanisms.


The composition of Ni₀.₃Mn₀.₇Fe₂O₄ offers the most favorable combination of structural stability, high magnetization, damping, optimized SOC, and efficient FMR-driven heating, making it a promising candidate for high-frequency applications requiring precise magnetic energy conversion and controlled thermal dissipation.

국문 초록 (Abstract)

스피넬 페라이트는 일반식 MFe₂O₄로 표현되는 자성 산화물로, 매우 폭넓은 기능성을 지닌 물질이다. 이들의 자기적 특성은 특정 양이온을 치환함으로써 정밀하게 제어할 수 있으며, 이러한 특성 덕분에 고주파 시스템, 마이크로파 기술, 스핀트로닉스 응용 분야에서 높은 가치를 가진다. 이러한 물질의 자성은 입방 스피넬 구조 내 사면체(A) 자리와 팔면체(B) 자리에 위치한 양이온들 사이의 초교환 상호작용(superexchange interaction)에 의해 기인한다. 철 이온(Fe²⁺)을 니켈(Ni²⁺) 및 망간(Mn²⁺) 이온으로 치환하면 양이온 분포가 변화하고, 구조 대칭성이 달라지며, 이에 따라 자기적 특성이 유의미하게 변화한다. NiFe₂O₄와 MnFe₂O₄의 정적 자기 특성에 대해서는 비교적 많은 연구가 이루어졌으나, Ni/Mn 치환이 동적 자기 거동—특히 강자성 공명(FMR) 감쇠 특성과 공명 하에서의 열 발생 효율—에 미치는 영향에 대해서는 아직 충분히 이해되지 않았다. 이는 나노스케일 영역에서 표면 불균일성과 구조적 무질서가 스핀 동역학에 강하게 영향을 미치기 때문이다.

본 연구에서는 수열 합성법으로 제조된 Ni₁₋ₓMnₓFe₂O₄ 페라이트(0 ≤ Mn ≤ 0.9)의 구조적 및 자기적 특성, 특히 FMR 거동을 체계적으로 조사하였다. Ni/Mn 조성을 단계적으로 변화시켜 양이온 치환이 격자 구조, 입자 형상, 양이온 분포, 그리고 A–O–B 초교환 상호작용(SEI)의 세기에 미치는 영향을 분석하였다. 포화자화(Ms) 및 FMR 감쇠 계수를 포함한 다양한 자기 측정을 수행하였으며, 또한 4 GHz의 고주파에서 13.57 Oe의 교류 자기장을 인가하여 공명 조건에서의 에너지 열 소산량(Q̅res)을 평가하였다.

자기 측정 결과, 망간 함량 증가에 따라 포화자화(Ms)가 선형적으로 증가하였으며, Mn = 0.7 조성에서 최대값인 76.98 emu/g에 도달하였다. Langevin 함수 분석을 통해 유효 자기 모멘트(µ)와 평균 자기 입자 크기(Dm)가 동시에 감소하는 경향이 확인되었다.
벡터 네트워크 분석기 기반 강자성 공명(VNA-FMR)을 통해 평가한 동적 자기 특성은 조성에 강하게 의존함을 보였다. Mn = 0.7 시료는 가장 큰 Gilbert 감쇠 상수(α = 0.0660)와 가장 큰 g-인자(g = 2.056)를 나타냈다. 주목할 점은, 이 조성이 Mn = 0.9 시료보다 에너지 소산률(Q̅res = 0.3882 MW/g)이 낮음에도 불구하고, 고주파 자기장 하에서 최대 온도 상승(∆Tmax = 200 K)을 달성하였다는 것이다. 이러한 결과는 본 시스템에서의 효율적인 열 발생이 단순한 전력 흡수량에 의해 결정되는 것이 아니라, 스핀–궤도 결합(SOC)에 의해 보조되는 이완 메커니즘에 의해 지배됨을 명확히 보여준다.

Ni₀.₃Mn₀.₇Fe₂O₄ 조성은 구조적 안정성, 높은 자화, 큰 감쇠 계수, 최적화된 SOC, 그리고 효율적인 FMR 기반 열 발생 특성을 동시에 만족시키며, 정밀한 자기 에너지 변환과 제어된 열 소산이 요구되는 고주파 응용 분야에서 매우 유망한 후보 물질로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figure vi
• List of Table vii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Study Background 1
• 1.2 Study Purpose 4
• Chapter 2. Literature Review 5
• 2.1 Magnetic Nanoparticles 5
• 2.2 Spinel Ferrites 6
• 2.2.1 Structure and Properties of NiFe2O4 7
• 2.2.2 Structure and Properties of MnFe2O4 8
• 2.3 Cation Distribution 11
• 2.4 Synthesis Method of Spinel Ferrites 13
• 2.5 Static Magnetization 16
• 2.6 Magnetization Dynamics 18
• 2.6.1 Ferromagnetic Resonance 18
• 2.6.2 Magnetization Damping 19
• 2.6.3 Magnetic Energy 20
• Chapter 3. Methodology 23
• 3.1 Fabrication Spinel Ferrites 23
• 3.1.1 Materials 23
• 3.1.2 Synthesis Process 23
• 3.2 Characterization and Analysis 26
• 3.2.1 Vector Network Analyzer Ferromagnetic Resonance (VNA-FMR) 27
• 3.3 Heating Measurement (IR-Camera) 29
• Chapter 4. Results and Discussion 32
• 4.1 Structure Analysis 32
• 4.1.1 X-Ray Diffraction (XRD) 32
• 4.1.2 Cation Distribution 38
• 4.2 Static Magnetization (VSM) 40
• 4.3 Dynamic Properties (VNA-FMR) 48
• 4.4 Heat Generation 52
• Chapter 5. Conclusion 56
• References 57