客观日本

大阪大学等制备Fe3O4纳米线,颠覆传统结论

2019年07月19日 生物医药

日本大阪大学的研究小组与日本产业技术综合研究所合作,实现了三维方向全部为10nm尺寸的强关联氧化物四氧化三铁(Fe3O4)的纳米结构,并在超小纳米样品中首次观察到了相变特性(图1)。

大阪大学等制备Fe3O4纳米线,颠覆传统结论

图1:利用自主开发的纳米线制作技术和纳米间隙电极,首次观察到Fe3O4在10nm区域的相变。

磁铁矿的电导率会随着金属-绝缘体相变(费耳威相变)而大大改变,是一种在基础和应用两方面都备受关注的材料。此前的研究报告显示,磁铁矿制成纳米尺寸的话,缺陷密度会升高,相变随之消失。不过,此次通过结合服部助教等人的研究小组拥有的高品质纳米结构制作技术和产业技术综合研究所拥有的10nm微间隙电极制作技术,实现了纳米结构,经过验证,缺陷密度比mm-μm尺寸的样品还要低,能发挥磁铁矿本身所具备的优异相变特性。由此,明确了固体物理学最重要的未解决课题之一——磁铁矿的金属-绝缘体相变机制,有望应用于能以10nm以下的尺寸工作的纳米电子器件。

相关研究成果已于2019年7月9日发布在美国科学期刊《Nano Letters》的网络版上。

磁铁矿(图2)的电导率会随着金属-绝缘体相变而发生100倍以上的变化等,因此80多年来业界一直在努力推进基础学术研究。另外,为将其应用于纳米电子,还通过纳米线及纳米颗粒等多种方法推进了磁铁矿的纳米结构化。但此前的报告显示,实现纳米结构(尺寸减小)会伴随着相变消失和电阻变化率降低的现象,因此一直被认为难以在纳米结构中观察到优异的相变特性。原因是,磁铁矿中存在独特的反相畴界等缺陷。缺陷尺寸大多为亚纳米-数纳米级,因此与尺寸较大的薄膜样品等相比,纳米结构受缺陷的影响更大,会造成相变特性等性能降低。

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图2:磁铁矿的结构

服部助教等人的研究小组开发了以单晶化三维纳米模板基板的侧面为起点,以nm精度控制尺寸的纳米结构制作方法“三维纳米模板PLD法(pulse laser deposition:脉冲激光沉积法)”,实现了高品质的纳米结构。利用这种方法,实现了磁铁矿的缺陷比较少、具有优异的相变特性的纳米结构。虽然用这种方法制作的纳米结构也存在缺陷,但研究小组发现,通过选出缺陷较少的区域,变化率提高至薄膜样品的5倍以上(图3)。这是因为可以在不受缺陷(主要为反相畴界)影响的情况下提取磁铁矿原本具有的特性。

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图3:纳米线样品的优异相变特性

另外,通过利用此次的成果实现高品质磁铁矿纳米结构,可以准确估算被视为磁铁矿相变起源的准粒子Trimeron的尺寸等。由于Trimeron的形成和消失与磁铁矿的相变直接相关,因此了解其动态非常重要。在以前作为主流的薄膜等尺寸的样品中,非常小的Trimeron的信息被平均化之后淹没了,但通过此次实现的高品质纳米结构研究获得了新的信息,有望了解费耳威相变的机制。

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文:JST客观日本编辑部翻译整理

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