在零下150度時,磁鐵礦導電性急劇下降,從金屬變成絕緣體!

2021-01-14 博科園

磁鐵礦在零下150度時，導電性急劇下降，從金屬變成絕緣體！磁鐵礦(Fe3O4)是最著名的磁性鐵礦石，是磁石的來源，同時還具有作為電子器件中高溫電阻的潛力。大阪大學領導的一項新研究發表在《納米快報》上，由磁鐵礦製成的超薄納米線揭示了這種礦物有趣的特性。當磁鐵礦冷卻到120 K(- 150°C)左右時，它突然從立方轉變為單斜晶體結構。同時，磁鐵礦導電性急劇下降——從金屬變成絕緣體。

這種獨特的「費耳威相變（Verwey transition）」可用於電子設備的切換，其確切溫度取決於樣品的性質，比如顆粒大小和顆粒形狀。磁鐵礦可以製成薄膜，但在一定厚度(約100納米)以下，Verwey躍遷減弱，需要更低的溫度。因此，對於納米尺度的電子學來說，保存磁鐵礦這一關鍵特性是一個重大的挑戰。

科學家研究使用了一種原始技術來生產只有10納米長度的磁鐵礦納米線，這種納米線具有精細的蠕變行為。正如研究合著者Rupali Rakshit所述：我們使用雷射脈衝將磁鐵礦沉積到MgO模板上。然後把這些沉積物蝕刻成金屬絲的形狀，在兩邊都接上金電極，這樣就可以測量納米線的電導率。

當納米線被冷卻到110 K(- 160℃)左右時，它們的電阻急劇增加，符合典型的Verwey行為。為了進行比較，研究小組還製作了一種表面面積為毫米的Fe3O4薄膜。它的Verwey轉變不僅較弱，而且需要溫度降到100 K。納米線明顯沒有晶體缺陷，特別是與薄膜不同的是，它們沒有被反相疇所困擾，在反相疇中原子圖樣會突然反轉。這些疇的邊界阻礙了金屬相中的導電。在絕緣體階段，它們阻止電阻率的出現，所以它們使Verwey躍遷變平。

納米線是如此的原始，以至於研究小組可以以前所未有的精確度直接研究Verwey躍遷起源。認為120k以下磁鐵礦絕緣性能是由於低溫晶體中的「三聚體」重複結構所致。研究人員估計了三分子的特徵長度尺度，與之前的研究結果非常接近。費耳威相變在能源轉換、電子和自旋電子學方面有許多潛在用途。如果能通過控制缺陷的數量來微調過渡，就能設想生產非常低能耗、但支持綠色技術的先進設備。其研究成果發表在《納米快報》上。

參考期刊《納米快報》

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01222

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