Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. Переход проводимости в районе ТV. а. для индивидуального нанокристалла. б. для кристаллической тонкой пленки.
Рис. 2. Дифференциальная проводимость при переходе. а. для индивидуального нанокристалла. б. для кристаллической тонкой пленки.
Рис. 3. Напряжение перехода в зависимости от ширины канала при разных температурах.
ТЕМ изображение нанокристаллов оксида железа.
SEM изображение двухконтактного устройства на основе наночастиц магнетита.

Новый фазовый переход в магнетите

Ключевые слова:  магнетит, периодика, фазовый переход

Опубликовал(а):  Уточникова Валентина Владимировна

24 декабря 2007

Недавно в Университете Райса сделано интересное наблюдение, которое связано с таким давно всем знакомым материалом, как оксид железа (II-III). Полученные результаты носят фундаментальный характер и опубликованы в журнале Nature.

Материалы с "сильно-коррелированными" электронами способны проявлять уникальные свойства, такие как высокотемпературная сверхпроводимость, упорядочение заряда и переход металл-диэлектрик, не наблюдаемые в обычных системах со слабыми электрон-электронными взаимодействиями. Одним из таких материалов является знакомый всем магнетит. Почти 70 лет назад Вервей обнаружил, что объемный магнетит, сравнительно хорошо проводящий электрический ток при комнатной температуре, претерпевает переход в диэлектрическое состояние при температуре 120 К, теперь называемой температура Вервея, TV. Аналогичный переход известен также для ряда других соединений.

Ниже TV Fe3O4 имеет структуру обращенной шпинели типа AB2O4 с тетраэдрически координированными позициями катиона A, занятыми ионами Fe3+, и октаэдрически координированными позициями B смешанной валентности, в равной степени занятыми атомами железа с формальным зарядом зарядом +3 и +2. Проводимость при высокой температуре долгое время объяснялась наличием переменной валентности B катиона, а переход – следствием некоего упорядочения зарядов при понижении температуры; с этим процессом конкурирует фазовый переход первого рода к моноклинной ячейке. Это объяснение, однако, оставалось сомнительным. Недавно были сделаны теоретические исследования с целью установить взаимовлияние заряда и структурных степеней свободы, включая полную картину перехода с сильно связанными 3d-электронами железа, приводящего к усилению электрон-фононного спаривания. Экспериментальная проверка этого предположения представляет несомненный интерес.

В данной работе проведено измерение переноса электронов в наноразмерном магнетите в виде нанокристаллов и монокристальной эпитаксиальной тонкой пленки в электрическом поле. Оба состояния проявляют гистерезисный переход электропроводности при переходе температуры через TV. Данные четко демонстрируют, что наблюдаемый эффект является следствием не локального перегрева в районе TV и разрушения соответствующего диэлектрического состояния при смещении равновесия в электрическом поле. Несмотря на то, что аналогичный эффект наблюдается и в других связанных оксидных системах [1], эффект в фазе Fe3O4 имеет иные причины и механизм.

Для измерения тока в нанообъектах при приложении напряжения были созданы двухконтактные устройства на основе как нанокристаллов Fe3O4 (диаметр 10–20 нм), так и монокристальных пленок (толщина 40–60 нм). На рис. 1а показаны вольтамперные характеристики нанокристаллических устройств при некоторых температурах. При охлаждении проводимость при нулевом смещении напряжения монотонно уменьшалась до T=TV. Ниже TV в вольтамперной характеристике наблюдается четкая смена низковольтного диэлектрического состояния и высоковольтного состояния, характеризуемого существенно большей дифференциальной проводимостью dI/dV(V) (близкой к dI/dV(V =0,T =300 K)), при этом присутствует явный гистерезис. Зависимость сопротивления при нулевом смещении напряжения R(T) от температуры (рис. 1a, вставка) не имеет ступеньки при TV, что показывает, что основной вклад в R(T) оказывают контактные эффекты.

Качественно похожая ситуация наблюдается и для тонкопленочных устройств (рис. 1 б). В этом случае также необходимо учитывать сопротивление контактов, и этот вклад становится понятен при изучении системы при низком напряжении (<100 мВ) для зависимости R(L), где L – ширина канала (показано на вставке). Экстраполяция к L=0 дает значение сопротивления контактов Rc(300 K) = 390 Ом, тогда как сопротивление 50-нанометровой пленки магнетита при ширине канала 20 мкм составляет 2.9 мОм. Были проведены исследования, имеющие целью снижение величины Rc. При более низких температурах R(L) значительно растет при понижении Т, достигая 80 кОм при 80 K.

Во всех устройствах наблюдается очень четкий переход шириной менее 50 мкВ. Показано, что перезарядка нанокристаллов и намагничивание существенно не влияют на переход. Еще четче переход прослеживается на примере изменения дифференциальной проводимости (рис. 2). Кроме того, показано, что TV в нанокристаллах можно поднять, поскольку температура перехода на поверхности магнетита выше, чем в объеме, а нанокристаллы обладают большой долей поверхности.

Кроме того, такой переход не является следствием локального Джоулевого перегрева, как наблюдалось ранее для объемных образцов Fe3O4 [2], поскольку даже если все джоулево тепло I×V рассеивается в магнетите, при T=TV образованная энергия будет близка к нулю.

Причиной наблюдаемого эффекта, по-видимому, действительно является воздействие электрического поля. На рис. 3 показана зависимость напряжения падения проводимости от L в ряду пленочных устройств для разных температур. Линейный характер зависимости говорит о том, что именно само наличие электрического поля, а не абсолютное значение напряжения или плотности тока приводит к возникновению эффекта. Экстраполяция напряжения при L=0 к ненулевому значению является, скорее всего, следствием ненулевого сопротивления контактов. К тому же это свидетельствует об объемном характере эффекта.

Такая полевая смена проводимости может пролить свет на выявление роли сильно связанных 3d-электронов железа в В-позицях и их связывания с фононами при переходе Вервея. С этой целью можно изучить локальную структуру магнетита in situ в ходе перехода. Пока можно сказать, что индивидуальные нанокристаллы и кристаллические тонкие пленки претерпевают качественно одинаковый переход.

Наличие нескольких переходов в одном нанокристалле или пленке также требует дальнейшего изучения. Предполагаемое упорядочение зарядов может нарушаться негомогенно, приводя к формированию различных ширин каналов. К тому же, возможно наличие промежуточных состояний с упорядоченными зарядами между непроводящим и максимально проводящим состояниями. Улучшение понимания процессов, происходящих при неравновесном переходе и его связи с равновесным объемным переходом Вервея возможно при улучшении качества контактов.

  1. Sawa, A., Fujii, T., Kawasaki, M. & Tokura, Y. Hysteretic current–voltage characteristics and resistance switching at a rectifying Ti/Pr0.7Ca0.3MnO3 interface. Appl. Phys. Lett. 85, 4073–4075 (2004).
  2. Burch, T. et al. Switching in magnetite: A thermally driven magnetic phase transition. Phys. Rev. Lett. 23, 1444–1447 (1969).

Об авторах:

Sungbae Lee, Department of Physics and Astronomy, Rice University, Александра Фурсина, ранее – аспирантка ФНМ, а теперь аспирантка Department of Chemistry, Rice University, США.

Перевод и подборка материала: В.Уточникова (ФНМ)


Источник: Nature




Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Наногеометрия
Наногеометрия

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Броуновское движение скирмионов.Растягиваем графен правильно. Красное вино, кофе и чай помогают создавать материалы для гибкой носимой электроники. Металлическая природа кремния и углерода.

К 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире
Эксперты отметили рост числа научных публикаций отечественных ученых и сообщили, что к 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире по публикационной активности.
27 – 29 ноября в рамках юбилейных мероприятий Химического факультета МГУ и торжественной церемонии закрытия Международного года Периодической таблицы химических элементов эксперты подвели итоги 2019 г.

Итоги Менделеевского Года
28 ноября в Фундаментальной библиотеке МГУ состоялось торжественное закрытие Международного года Периодической таблицы химических элементов Д.И.Менделеева.

Константин Жижин, член-корреспондент РАН: «Бор безграничен»
Наталия Лескова
Беседа с К.Ю. Жижиным, заместителем директора Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова по научной работе, главным научным сотрудником лаборатории химии легких элементов и кластеров.

Мембраны правят миром
Коллектив авторов, Гудилин Е.А.
Ученые МГУ за счет детального изучения структурных и морфологических характеристик материалов на основе оксида графена и 2D-карбидов титана, а также моделирования их свойств, улучшили методы создания мембран для широкого круга практических применений.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.