磁鐵礦（Fe3O4）以作爲磁鐵礦石而聞名，是天然磁石的來源。它也可以作爲高溫環境下的電阻器，而應用到電子產品中。在大阪大學主導的一項新研究工作中，由Fe3O4製成的超薄奈米線展現出了該礦產一種非常有趣的特徵，該工作於最近發表在Nano Letters上。
當冷卻到120K（-150℃）左右時，磁鐵礦會從立方相突然轉變爲單斜晶體結構。同時，它的導電性急劇下降 -- 它不再是金屬，而是變成了絕緣體。這種獨特的「Verwey相變」可用於電子設備開關，而相變的確切溫度則取決於樣品的某些性質，比如顆粒大小和粒形。磁鐵礦可以製成薄膜，但在低於一定厚度（100奈米左右）的情況下，薄膜的Verwey相變會減弱，並且將需要更低的轉變溫度。因此，對於奈米尺度的電子產品，維持Fe3O4的這一關鍵特性是一項重大挑戰。
該研究使用獨創的技術，製備了長度僅爲10奈米的磁鐵礦奈米線，該材料具備劇烈Verwey相變行為。如該研究的共同作者之一Rupali Rakshit所述，「我們使用雷射脈衝將Fe3O4沉積物到MgO模板上，然後將沉積物蝕刻成線狀，最後在兩側連接金電極，這樣就可以測量奈米線的電導率了。」 當奈米線冷卻到110K（-160°C）左右時，其電阻急劇增加，這與典型的Verwey相變行為一致。爲了進行比較，該團隊還製作了Fe3O4薄膜，其具有毫米級的大表面積。Fe3O4薄膜的Verwey轉變不僅較弱，而且需要在低如100 K的溫度下才能發生。
該研究的負責人服部梓說：「很明顯，這些奈米線内不含任何晶體缺陷。與薄膜不同，它們不受逆相域的困擾。在逆相域中，原子排列會發生突然性的逆轉。這些疇的邊界阻礙了金屬相中的電子傳導。而在絕緣體相中，這些疇會阻止電阻率的出現，從而在整體效果上，使Verwey轉變變得平滑。」而該團隊製備的奈米線是如此的無暇，以至於該團隊可以以前所未有的精確度直接探索Verwey轉變的起源。這種磁鐵礦在低於120K時的絕緣性質來自低溫晶體中的「三聚物」週期結構。該團隊考察了三聚物的特性長度，發現它與之前報導的三聚物實際尺寸十分配對分組。
「Verwey轉變在能量轉換、電子學和自旋電子學等領域都有着諸多潛在的應用，」 服部說。 「如果我們可以透過控制缺陷數量來精確調控Verwey轉變，我們將能夠實施低耗能先進設備的生產，來爲綠色環保概念提供更多技術上的支援。」
圖1. 概念圖：使用自創奈米加工技術，在三維MgO奈米模板上製備了10nm級別長度的三維Fe3O4(100)奈米線。由於三維奈米細化效應，超微奈米線展現了具有較低缺陷濃度的顯著Verwey轉變。
圖2. 磁鐵礦晶體結構
圖3. 奈米線（紅色所示）和薄膜（黑色所示）樣品的電子輸送性質。奈米線展現出Verwey轉變前後六倍左右的電阻變化。
供稿 鍾維
編輯修改 JST客觀日本編輯部
原文鏈結:
https://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2019/20190710_1
引用文獻:
「Three-Dimensional Nanoconfinement Supports Verwey Transition in Fe3O4 Nanowire at 10 nm Length Scale,」 was published in Nano Letters,
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01222.
