Magnetiet (Fe ₃ O ₄ ) is vooral bekend als een magnetisch ijzererts, en is de bron van magneetsteen. Het heeft ook potentieel als een hoge-temperatuurweerstand in de elektronica. In nieuw onderzoek onder leiding van de Universiteit van Osaka, gepubliceerd in Nano Letters, ultradunne nanodraden gemaakt van Fe ₃ O ₄ onthullen inzichten in een intrigerende eigenschap van dit mineraal.

Bij afkoeling tot ongeveer 120 K (-150°C), magnetiet verschuift plotseling van een kubische naar een monokliene kristalstructuur. Tegelijkertijd, zijn geleidbaarheid neemt sterk af - het is niet langer een metaal maar een isolator. De exacte temperatuur van deze unieke "Verwey overgang, " die kunnen worden gebruikt voor het inschakelen van elektronische apparaten, hangt af van de eigenschappen van het monster, zoals korrelgrootte en deeltjesvorm.

Magnetiet kan worden gemaakt in dunne films, maar onder een bepaalde dikte - rond de 100 nm - verzwakt de Verwey-overgang en heeft lagere temperaturen nodig. Dus, voor elektronica op nanoschaal, behoud van dit belangrijke kenmerk van Fe ₃ O ₄ vormt een grote uitdaging. De Osaka-studie gebruikte een originele techniek om magnetiet-nanodraden te produceren met een lengte van slechts 10 nanometer, die voortreffelijk Verwey-gedrag vertoonden.

Zoals beschreven door studie co-auteur Rupali Rakshit, "We gebruikten laserpulsen om Fe ₃ O ₄ op een sjabloon van MgO. Vervolgens hebben we de afzettingen geëtst in draadvormen, en tenslotte aan weerszijden gouden elektroden bevestigd, zodat we de geleidbaarheid van de nanodraden konden meten."

Toen de nanodraden werden afgekoeld tot ongeveer 110 K (-160°C), hun weerstand nam sterk toe, in lijn met typisch Verwey-gedrag. Ter vergelijking, het team produceerde ook Fe ₃ O ₄ als een dunne film met een groot oppervlak op de millimeterschaal. De Verwey-transitie was niet alleen zwakker, maar vereiste temperaturen tot 100 K.

"De nanodraden waren opmerkelijk vrij van kristaldefecten, ", zegt studieleider Azusa Hattori. "Met name in tegenstelling tot de dunne film, ze werden niet achtervolgd door antifasedomeinen, waar het atomaire patroon plotseling wordt omgekeerd. De grenzen van deze domeinen blokkeren de geleiding in de metaalfase. In de isolatiefase ze voorkomen dat weerstand ontstaat, dus vlakken ze de Verwey-transitie af."

De nanodraden waren zo ongerept dat het team de oorsprong van de Verwey-overgang direct met ongekende nauwkeurigheid kon bestuderen. Aangenomen wordt dat de isolerende eigenschappen van magnetiet onder 120 K afkomstig zijn van "trimeronen" repetitieve structuren in het kristal bij lage temperatuur. De onderzoekers schatten de karakteristieke lengteschaal van trimeronen, en het kwam nauw overeen met de ware grootte volgens eerder onderzoek.

"De Verwey-transitie heeft tal van potentiële toepassingen in energieconversie, elektronica en spintronica, ", zegt Hattori. "Als we de overgang kunnen verfijnen door het aantal defecten te beheersen, kunnen we ons voorstellen dat we zeer lage vermogens produceren, maar toch geavanceerde apparaten om groene technologie te ondersteunen."

Het artikel, "Driedimensionale nanoconfinement ondersteunt Verwey-transitie in Fe ₃ O ₄ Nanodraad op 10 nm lengteschaal, " werd gepubliceerd in Nano-letters .