Fig. 1 Concetto dello studio. Il nanofilo 3D Fe3O4(100) della scala di lunghezza di 10 nm su nanomodello 3D MgO è stato prodotto utilizzando tecniche di nanofabbricazione originali. Il nanofilo ultrapiccolo ha mostrato un'importante transizione di Verwey con una minore concentrazione di difetti a causa dell'effetto di nanoconfinamento 3D. Credito:Università di Osaka
Magnetite (Fe 3 oh 4 ) è meglio conosciuto come minerale di ferro magnetico, ed è la fonte della calamita. Ha anche un potenziale come resistore ad alta temperatura nell'elettronica. In una nuova ricerca condotta dall'Università di Osaka, pubblicato su Nano Letters, nanofili ultrasottili in Fe 3 oh 4 rivelare intuizioni su una proprietà intrigante di questo minerale.
Una volta raffreddato a circa 120 K (-150°C), la magnetite si sposta improvvisamente da una struttura cristallina cubica a una monoclina. Allo stesso tempo, la sua conduttività cala bruscamente:non è più un metallo ma un isolante. La temperatura esatta di questa unica "transizione di Verwey, " che può essere utilizzato per la commutazione di dispositivi elettronici, dipende dalle proprietà del campione, come la granulometria e la forma delle particelle.
La magnetite può essere trasformata in film sottili, ma al di sotto di un certo spessore, intorno ai 100 nm, la transizione di Verwey si indebolisce e necessita di temperature più basse. Così, per l'elettronica su nanoscala, preservando questa caratteristica chiave di Fe 3 oh 4 è una grande sfida. Lo studio di Osaka ha utilizzato una tecnica originale per produrre nanofili di magnetite di soli 10 nanometri di lunghezza, che aveva un comportamento squisito di Verwey.
Come descritto dal coautore dello studio Rupali Rakshit, "Abbiamo usato impulsi laser per depositare Fe 3 oh 4 su un modello di MgO. Abbiamo quindi inciso i depositi in forme di filo, e infine abbiamo attaccato elettrodi d'oro su entrambi i lati in modo da poter misurare la conduttività dei nanofili".
Fig. 2 Struttura cristallina della magnetite. Credito:Università di Osaka
Quando i nanofili sono stati raffreddati a circa 110 K (-160°C), la loro resistenza aumentò notevolmente, in linea con il tipico comportamento di Verwey. Per confronto, il team ha anche prodotto Fe 3 oh 4 come un film sottile con un'ampia superficie su scala millimetrica. La sua transizione Verwey non era solo più debole, ma richiedeva temperature fino a 100 K.
"I nanofili erano notevolmente privi di difetti dei cristalli, ", afferma il leader dello studio Azusa Hattori. "In particolare, a differenza del film sottile, non erano perseguitati da domini antifase, dove il modello atomico è improvvisamente invertito. I confini di questi domini bloccano la conduzione nella fase metallica. Nella fase isolante, impediscono alla resistività di emergere, così appiattiscono la transizione di Verwey."
I nanofili erano così incontaminati che il team ha potuto studiare direttamente l'origine della transizione di Verwey con una precisione senza precedenti. Si ritiene che le proprietà isolanti della magnetite al di sotto di 120 K provengano da strutture ripetitive "trimeroni" nel cristallo a bassa temperatura. I ricercatori hanno stimato la scala di lunghezza caratteristica dei trimeroni, e corrispondeva da vicino alla dimensione reale secondo la ricerca precedente.
Fig. 3 Proprietà di trasporto per i campioni di nanofili (rosso) e film (nero). Il nanofilo ha mostrato un cambiamento di resistenza circa sei volte maggiore attraverso la transizione di Verwey. Credito:Università di Osaka
"La transizione di Verwey ha una miriade di potenziali usi nella conversione dell'energia, elettronica e spintronica, " dice Hattori. "Se possiamo mettere a punto la transizione controllando la quantità di difetti, possiamo immaginare di produrre a bassissima potenza, dispositivi ancora avanzati per supportare la tecnologia verde."
L'articolo, "Il nanoconfinamento tridimensionale supporta la transizione di Verwey in Fe 3 oh 4 Nanowire su scala di lunghezza di 10 nm, " è stato pubblicato in Nano lettere .
