Research Abstract

四酸化三鉄の高安定逆位相境界欠陥の原子構造と性質

Atomic-scale structure and properties of highly stable antiphase boundary defects in ​Fe3O4

2014年12月10日 Nature Communications 5 : 5740 doi: 10.1038/ncomms6740

フェリ磁性・半金属を示す磁鉄鉱(Fe3O4)の複雑で興味深い性質は、基礎科学的な興味を引き続けているだけでなく、スピントロニクス、磁性、触媒作用、医薬における実用的な応用に重要である。しかし、磁鉄鉱中に偏在する逆位相境界(APB)の役割に関してかなり多くの推測がなされているが、その構造と性質についての情報を直接得ることは、まだ難しい。今回我々は、第一原理予測モデリングと高分解能透過型電子顕微鏡法を組み合わせて、磁鉄鉱におけるAPBの三次元構造を明確に決定した。{110}面上のAPB欠陥は非常に安定で、しばしば観測されるスピン偏極の低下や磁気抵抗の説明となる、隣接ドメイン間の反強磁性結合を生じさせることを、我々は実証している。さらに、{110}APB欠陥の高い安定性と、薄膜やナノ構造体の歪みによって安定化される可能性がある準安定バルク相のFe3O4の存在が、どのように結びつくかも示している。

Keith P. McKenna, Florian Hofer, Daniel Gilks, Vlado K. Lazarov, Chunlin Chen, Zhongchang Wang & Yuichi Ikuhara

Corresponding Authors

Keith P. McKenna
Chunlin Chen
東北大学 原子分子材料科学高等研究機構

The complex and intriguing properties of the ferrimagnetic half metal ​magnetite (​Fe3O4) are of continuing fundamental interest as well as being important for practical applications in spintronics, magnetism, catalysis and medicine. There is considerable speculation concerning the role of the ubiquitous antiphase boundary (APB) defects in ​magnetite, however, direct information on their structure and properties has remained challenging to obtain. Here we combine predictive first principles modelling with high-resolution transmission electron microscopy to unambiguously determine the three-dimensional structure of APBs in ​magnetite. We demonstrate that APB defects on the {110} planes are unusually stable and induce antiferromagnetic coupling between adjacent domains providing an explanation for the magnetoresistance and reduced spin polarization often observed. We also demonstrate how the high stability of the {110} APB defects is connected to the existence of a metastable bulk phase of ​Fe3O4, which could be stabilized by strain in films or nanostructures.

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