日本大阪大學的研究小組與日本產業技術綜合研究所合作，實施了三維方向全部爲10nm尺寸的強關聯氧化物四氧化三鐵(Fe3O4)的奈米結構，並在超小奈米樣品中首次觀察到了相變特性（圖1）。
圖1：利用自主開發的奈米線製作技術和奈米間隙電極，首次觀察到Fe3O4在10nm區域的相變。
磁鐵礦的電導率會隨着金屬-絕緣體相變（費耳威相變）而大大改變，是一種在基礎和應用兩方面都備受關注的材料。此前的研究報告顯示，磁鐵礦製成奈米尺寸的話，缺陷密度會升高，相變隨之消失。不過，此次透過結合服部助教等人的研究小組擁有的高品質奈米結構製作技術和產業技術綜合研究所擁有的10nm微間隙電極製作技術，實施了奈米結構，經過驗證，缺陷密度比率mm-μm尺寸的樣品還要低，能發揮磁鐵礦本身所具備的優異相變特性。由此，明確了固態物理學最重要的未解決課題之一——磁鐵礦的金屬-絕緣體相變機制，有望應用於能以10nm以下的尺寸工作的奈米電子器件。
相關研究成果已於2019年7月9日發佈在美國科學期刊《Nano Letters》的網路版上。
磁鐵礦（圖2）的電導率會隨着金屬-絕緣體相變而發生100倍以上的變化等，因此80多年來業界一直在努力推進基礎學術研究。另外，爲將其應用於奈米電子，還透過奈米線及奈米顆粒等多種方法推進了磁鐵礦的奈米結構化。但此前的報告顯示，實施奈米結構（尺寸減小）會伴隨着相變消失和電阻變化率降低的現象，因此一直被認爲難以在奈米結構中觀察到優異的相變特性。終極因數是，磁鐵礦中存在獨特的逆相域壁等缺陷。缺陷尺寸大多爲亞奈米-數奈米級，因此與尺寸較大的薄膜樣品等相比，奈米結構受缺陷的影響更大，會造成相變特性等性能降低。
圖2：磁鐵礦的結構
服部助教等人的研究小組開發了以單晶化三維奈米模板基底層的側面爲起點，以nm精度控制尺寸的奈米結構製作方法「三維奈米模板PLD法（pulse laser deposition：脈衝雷射沉積法）」，實施了高品質的奈米結構。利用這種方法，實施了磁鐵礦的缺陷比較少、具有優異的相變特性的奈米結構。雖然用這種方法製作的奈米結構也存在缺陷，但研究小組發現，透過選出缺陷較少的區域，變化率提高至薄膜樣品的5倍以上（圖3）。這是因爲可以在不受缺陷（主要爲逆相域壁）影響的情況下提取磁鐵礦原本具有的特性。
圖3：奈米線樣品的優異相變特性
另外，透過利用此次的成果實現高品質磁鐵礦奈米結構，可以準確估算被視爲磁鐵礦相變起源的準粒子Trimeron的尺寸等。由於Trimeron的形成和消失與磁鐵礦的相變直接相關，因此瞭解其動態非常重要。在以前作爲主流的薄膜等尺寸的樣品中，非常小的Trimeron的資訊被平均化之後淹沒了，但透過此次實施的高品質奈米結構研究獲得了新的資訊，有望瞭解費耳威相變的機制。
（日文新聞發佈全文）
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
