磁铁矿（Fe3O4）以作为磁铁矿石而闻名，是天然磁石的来源。它也可以作为高温环境下的电阻器，而应用到电子产品中。在大阪大学主导的一项新研究工作中，由Fe3O4制成的超薄纳米线展现出了该矿物一种非常有趣的特征，该工作于最近发表在Nano Letters上。
当冷却到120K（-150℃）左右时，磁铁矿会从立方相突然转变为单斜晶体结构。同时，它的导电性急剧下降 -- 它不再是金属，而是变成了绝缘体。这种独特的“Verwey相变”可用于电子设备开关，而相变的确切温度则取决于样品的某些性质，比如颗粒大小和颗粒形状。磁铁矿可以制成薄膜，但在低于一定厚度（100纳米左右）的情况下，薄膜的Verwey相变会减弱，并且将需要更低的转变温度。因此，对于纳米尺度的电子产品，维持Fe3O4的这一关键特性是一项重大挑战。
该研究使用独创的技术，制备了长度仅为10纳米的磁铁矿纳米线，该材料具备剧烈Verwey相变行为。如该研究的共同作者之一Rupali Rakshit所述，“我们使用激光脉冲将Fe3O4沉积到MgO模板上，然后将沉积物刻蚀成线状，最后在两侧连接金电极，这样就可以测量纳米线的电导率了。” 当纳米线冷却到110K（-160°C）左右时，其电阻急剧增加，这与典型的Verwey相变行为一致。为了进行比较，该团队还制作了Fe3O4薄膜，其具有毫米级的大表面积。Fe3O4薄膜的Verwey转变不仅较弱，而且需要在低如100 K的温度下才能发生。
该研究的负责人服部梓说：“很明显，这些纳米线内不含任何晶体缺陷。与薄膜不同，它们不受反相畴的困扰。在反相畴中，原子排列会发生突然性的逆转。这些畴的边界阻碍了金属相中的电子传导。而在绝缘体相中，这些畴会阻止电阻率的出现，从而在整体效果上，使Verwey转变变得平滑。”而该团队制备的纳米线是如此的无暇，以至于该团队可以以前所未有的精确度直接探索Verwey转变的起源。这种磁铁矿在低于120K时的绝缘性质来自低温晶体中的“三聚体”周期结构。该团队考察了三聚体的特征长度，发现它与之前报道的三聚体实际尺寸十分匹配。
“Verwey转变在能量转换、电子学和自旋电子学等领域都有着诸多潜在的应用，” 服部说。 “如果我们可以通过控制缺陷数量来精确调控Verwey转变，我们将能够实现低耗能先进设备的生产，来为绿色环保概念提供更多技术上的支持。”
图1. 概念图：使用自创纳米加工技术，在三维MgO纳米模板上制备了10nm级别长度的三维Fe3O4(100)纳米线。由于三维纳米细化效应，超微纳米线展现了具有较低缺陷浓度的显著Verwey转变。
图2. 磁铁矿晶体结构
图3. 纳米线（红色所示）和薄膜（黑色所示）样品的电子输运性质。纳米线展现出Verwey转变前后六倍左右的电阻变化。
供稿 钟维
编辑修改 JST客观日本编辑部
原文链接:
https://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2019/20190710_1
引用文献:
“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.
