Size Dependence of Metal−Insulator Transition in Stoichiometric Fe3O4 Nanocrystals

산화철 나노입자가 20 nm 이상의 크기에서는 벌크 산화철과 유사한 상전이 현상을 보이지만, 10 nm 이하에서부터 금속-절연체 상전이가 사라지는 특이한 변화를 발견하였다. 이렇게 금속-절연체 상전이가 사라지는 8 nm 이하의 나노입자에서는 전자의 스핀이 무질서 해지는 지점과 같아서 두 현상이 관련이 있음을 강하게 시사한다. 이 연구결과로부터 기존에 학계에서 정설로 여겨지던 산화철 Verwey 상전이 현상에는 전자 스핀의 역할이 없다는 의견에 반기를 들 수 있는 데이터를 확보할 수 있었다. 이 연구를 통하여 산화철 Verwey 상전이에 대한 기존 학설을 반박함으로써 새로운 이론을 펼칠 수 있는 계기가 되었다는데 큰 의미가 있다.

Abstract:
Magnetite (Fe3O4) is one of the most actively studied materials with a famous metal−insulator transition (MIT), so-called the Verwey transition at around 123 K. Despite the recent progress in synthesis and characterization of Fe3O4 nanocrystals (NCs), it is still an open question how the Verwey transition changes on a nanometer scale. We herein report the systematic studies on size dependence of the Verwey transition of stoichiometric Fe3O4 NCs. We have successfully synthesized stoichiometric and uniform-sized Fe3O4 NCs with sizes ranging from 5 to 100 nm. These stoichiometric Fe3O4 NCs show the Verwey transition when they are characterized by conductance, magnetization, cryo-XRD, and heat capacity measurements. The Verwey transition is weakly size-dependent and becomes suppressed in NCs smaller than 20 nm before disappearing completely for less than 6 nm, which is a clear, yet highly interesting indication of a size effect of this well-known phenomena. Our current work will shed new light on this ages-old problem of Verwey transition.

Nano Lett., 2015, 15 (7), pp 4337–4342
DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b00331