磁铁矿在零下150度时，导电性急剧下降，从金属变成绝缘体

Lv.25变形虫

靓号：201486

林奈

磁铁矿在零下150度时，导电性急剧下降，从金属变成绝缘体！磁铁矿(Fe3O4)是最著名的磁性铁矿石，是磁石的来源，同时还具有作为电子器件中高温电阻的潜力。大阪大学领导的一项新研究发表在《纳米快报》上，由磁铁矿制成的超薄纳米线揭示了这种矿物有趣的特性。当磁铁矿冷却到120 K(- 150°C)左右时，它突然从立方转变为单斜晶体结构。同时，磁铁矿导电性急剧下降——从金属变成绝缘体。

这种独特的“费耳威相变（Verwey transition）”可用于电子设备的切换，其确切温度取决于样品的性质，比如颗粒大小和颗粒形状。磁铁矿可以制成薄膜，但在一定厚度(约100纳米)以下，Verwey跃迁减弱，需要更低的温度。

因此，对于纳米尺度的电子学来说，保存磁铁矿这一关键特性是一个重大的挑战。科学家研究使用了一种原始技术来生产只有10纳米长度的磁铁矿纳米线，这种纳米线具有精细的蠕变行为。正如研究合著者Rupali Rakshit所述：我们使用激光脉冲将磁铁矿沉积到MgO模板上。

然后把这些沉积物蚀刻成金属丝的形状，在两边都接上金电极，这样就可以测量纳米线的电导率。当纳米线被冷却到110 K(- 160℃)左右时，它们的电阻急剧增加，符合典型的Verwey行为。为了进行比较，研究小组还制作了一种表面面积为毫米的Fe3O4薄膜。它的Verwey转变不仅较弱，而且需要温度降到100 K。纳米线明显没有晶体缺陷，特别是与薄膜不同的是，它们没有被反相畴所困扰，在反相畴中原子图样会突然反转。这些畴的边界阻碍了金属相中的导电。在绝缘体阶段，它们阻止电阻率的出现，所以它们使Verwey跃迁变平。

纳米线是如此的原始，以至于研究小组可以以前所未有的精确度直接研究Verwey跃迁起源。认为120k以下磁铁矿绝缘性能是由于低温晶体中的“三聚体”重复结构所致。研究人员估计了三分子的特征长度尺度，与之前的研究结果非常接近。费耳威相变在能源转换、电子和自旋电子学方面有许多潜在用途。如果能通过控制缺陷的数量来微调过渡，就能设想生产非常低能耗、但支持绿色技术的先进设备。其研究成果发表在《纳米快报》上。