Magnetit nanotråde med skarp isolerende overgang

Magnetit (Fe ₃ O ₄ ) er bedst kendt som en magnetisk jernmalm, og er kilden til lodestone. Den har også potentiale som højtemperaturmodstand i elektronik. I ny forskning ledet af Osaka University, udgivet i Nano Letters, ultratynde nanotråde lavet af Fe ₃ O ₄ afsløre indsigt i en spændende egenskab ved dette mineral.

Når afkølet til omkring 120 K (−150°C), magnetit skifter pludselig fra en kubisk til en monoklin krystalstruktur. På samme tid, dets ledningsevne falder kraftigt - det er ikke længere et metal, men en isolator. Den nøjagtige temperatur på denne unikke "Verwey-overgang, " som kan bruges til at indkoble elektroniske enheder, afhænger af prøvens egenskaber, som kornstørrelse og partikelform.

Magnetit kan laves til tynde film, men under en vis tykkelse - omkring 100 nm - svækkes Verwey-overgangen og har brug for lavere temperaturer. Dermed, til elektronik på nanoskala, bevare denne nøglefunktion ved Fe ₃ O ₄ er en stor udfordring. Osaka-undersøgelsen brugte en original teknik til at producere magnetit nanotråde på kun 10 nanometer længde, som havde udsøgt Verwey opførsel.

Som beskrevet af undersøgelsens medforfatter Rupali Rakshit, "Vi brugte laserimpulser til at afsætte Fe ₃ O ₄ på en skabelon af MgO. Vi ætsede derefter aflejringerne i trådformer, og til sidst fastgjorde guldelektroder på hver side, så vi kunne måle nanotrådenes ledningsevne."

Når nanotrådene blev afkølet til omkring 110 K (−160 °C), deres modstand steg kraftigt, i overensstemmelse med typisk Verwey-adfærd. Til sammenligning, holdet producerede også Fe ₃ O ₄ som en tynd film med et stort overfladeareal på millimeterskalaen. Dens Verwey-overgang var ikke kun svagere, men krævede temperaturer ned til 100 K.

"Nanotrådene var bemærkelsesværdigt fri for krystalfejl, "siger studieleder Azusa Hattori." Især i modsætning til den tynde film, de var ikke forfulgt af antifasedomæner, hvor atommønsteret pludselig vendes. Grænserne for disse domæner blokerer ledning i metalfasen. I isolatorfasen, de stopper modstanden fra at dukke op, så de udjævner Verwey-overgangen."

Nanotrådene var så uberørte, at holdet direkte kunne studere oprindelsen af ​​Verwey-overgangen med hidtil uset nøjagtighed. De isolerende egenskaber af magnetit under 120 K menes at komme fra "trimerons" gentagne strukturer i lavtemperaturkrystallen. Forskerne estimerede den karakteristiske længdeskala for trimeroner, og det matchede nøje den sande størrelse ifølge tidligere forskning.

"Verwey-overgangen har et væld af potentielle anvendelser i energiomdannelse, elektronik og spintronics, "siger Hattori." Hvis vi kan finjustere overgangen ved at kontrollere mængden af ​​fejl, vi kan forestille os at producere meget lavenergi, men alligevel avancerede enheder til at understøtte grøn teknologi."

Artiklen, "Tredimensionel nanokonfinering understøtter Verwey-overgang i Fe ₃ O ₄ Nanotråd ved 10 nm længdeskala, "blev offentliggjort i Nano bogstaver .