Fig. 1 Koncept av studien. 3D Fe3O4(100) nanotråden av 10 nm längdskala på 3D MgO nanomall producerades med hjälp av original nanotillverkningsteknik. Den ultrasmå nanotråden uppvisade en framträdande Verwey-övergång med lägre defektkoncentration på grund av 3D-nanoinneslutningseffekt. Kredit:Osaka University
Magnetit (Fe 3 O 4 ) är mest känd som en magnetisk järnmalm, och är källan till lodestone. Den har också potential som ett högtemperaturmotstånd inom elektronik. I ny forskning ledd av Osaka University, publicerad i Nano Letters, ultratunna nanotrådar tillverkade av Fe 3 O 4 avslöja insikter i en spännande egenskap hos detta mineral.
När den kyls till cirka 120 K (−150°C), magnetit skiftar plötsligt från en kubisk till en monoklinisk kristallstruktur. På samma gång, dess ledningsförmåga sjunker kraftigt - det är inte längre en metall utan en isolator. Den exakta temperaturen för denna unika "Verwey-övergång, " som kan användas för att koppla in elektroniska enheter, beror på provets egenskaper, som kornstorlek och partikelform.
Magnetit kan göras till tunna filmer, men under en viss tjocklek – runt 100 nm – försvagas Verwey-övergången och behöver lägre temperaturer. Således, för elektronik i nanoskala, bevara denna nyckelfunktion hos Fe 3 O 4 är en stor utmaning. Osaka-studien använde en originalteknik för att producera magnetitnanotrådar med en längd på bara 10 nanometer, som hade utsökt Verwey beteende.
Som beskrivs av studiens medförfattare Rupali Rakshit, "Vi använde laserpulser för att deponera Fe 3 O 4 på en mall av MgO. Vi etsade sedan avlagringarna till trådformer, och slutligen fäste guldelektroder på vardera sidan så att vi kunde mäta nanotrådarnas konduktivitet."
Fig. 2 Kristallstruktur av magnetit. Kredit:Osaka University
När nanotrådarna kyldes till cirka 110 K (−160 °C), deras motstånd ökade kraftigt, i linje med typiskt Verwey-beteende. För jämförelse, laget producerade också Fe 3 O 4 som en tunn film med stor yta på millimeterskalan. Dess Verwey-övergång var inte bara svagare, men krävde temperaturer ner till 100 K.
"Nanotrådarna var anmärkningsvärt fria från kristalldefekter, " säger studieledaren Azusa Hattori. "I synnerhet, till skillnad från den tunna filmen, de var inte förföljda av antifasdomäner, där atommönstret plötsligt vänds om. Gränserna för dessa domäner blockerar ledning i metallfasen. I isoleringsfasen, de stoppar resistivitet från att uppstå, så de plattar ut Verwey-övergången."
Nanotrådarna var så orörda att teamet direkt kunde studera ursprunget till Verwey-övergången med oöverträffad noggrannhet. De isolerande egenskaperna hos magnetit under 120 K tros komma från "trimerons" repetitiva strukturer i lågtemperaturkristallen. Forskarna uppskattade den karakteristiska längdskalan för trimeroner, och det stämde nära den verkliga storleken enligt tidigare forskning.
Fig. 3 Transportegenskaper för nanotråden (röd) och filmen (svart) prover. Nanotråden visade ungefär sex gånger större motståndsförändring genom Verwey-övergång. Kredit:Osaka University
"Verwey-övergången har en mängd potentiella användningsområden för energiomvandling, elektronik och spintronik, " säger Hattori. "Om vi kan finjustera övergången genom att kontrollera mängden defekter, vi kan tänka oss att producera mycket lågenergi, men ändå avancerade enheter för att stödja grön teknik."
Artikeln, "Tredimensionell nanoinneslutning stöder Verwey Transition i Fe 3 O 4 Nanotråd vid 10 nm längdskala, " publicerades i Nanobokstäver .
