相关论文：Verwey 相变处 Fe3O4 的结构、磁性和电输运特性
课题组：米文博

文章信息 

Verwey 相变处 Fe3O4 的结构、磁性和电输运特性 

Structure, magnetic and transportproperties of Fe3O4 near Verwey Transition 

刘祥，米文博* 

物理学报. 2020, 69 (4): 040505  

背景介绍  

        四氧化三铁(Magnetite, Fe3O4)是人类最早认识的磁性材料。具有反尖晶石结构，O原子为密堆积，1/8四面体O间隙由FeA3+占据，1/2八面Fe3O4体O间隙由数量相同的FeB2+和FeB3+占据[图1(a)]。FeA−FeB原子之间为反铁磁耦合，FeB−FeB原子之间为铁磁耦合，每两个FeB原子共用一个自旋向下的t2g电子[图1(b)]。1939年，Verwey在测量Fe3O4的电阻率随温度的变化关系时，发现当样品中Fe:O原子比接近3:4时，样品的电阻率在120 K附近增大约两个数量级。Verwey认为电阻率的升高来源于FeB原子发生的电荷有序，自旋向下的t2g电子局域在FeB2+[图1(c)]，后人将这一现象称为Verwey相变。伴随Verwey相变，Fe3O4的晶格结构、磁化强度、比热容等性质均会发生变化，Verwey相变的物理机制受到了人们的广泛关注。随着研究不断深入，Anderson和Seo等先后提出极化子模型和FeB2+−FeB3+二聚模型[图1(c)]。2012年，Senn等利用同步辐射X射线衍射给出了90 K下低温相Fe3O4的原子结构，提出Fe3O4中形成FeB3+−FeB2+−FeB3+三极化子[图1(d)]，推动了人们对Verwey相变的认识。

图1 (a) Fe3O4晶体结构；(b) Fe3O4中磁耦合；(c) Fe3O4中不同电荷有序机制；(d)三极化子模型示意图      

        研究结果表明在低温下Fe3O4中FeB2+和FeB3+之间的电荷有序小于1e，这一结论与三极化子模型一致。随着三极化子模型的建立，三极化子在Verwey相变过程中的作用和形成机制成为新的研究对象。天津大学理学院应用物理学系米文博教授长期致力于高自旋极化磁性材料的研究工作。2013年，米文博利用透射电子显微镜(TEM)对磁控溅射法制备的外延Fe3O4薄膜进行了研究[图2(a)-2(h)]，95 K下选区电子衍射(SAED)图样出现由周期性电子排列引起的衍射斑点[图2(c)、2(d)、2(g)和2(h)]，利用衍射方法在制备的高质量外延Fe3O4薄膜中观察到电荷有序。基于高质量外延Fe3O4薄膜，米文博团队对Fe3O4在Verwey相变附近的电输运特性和磁性进行了系统的研究，对Verwey相变处三极化子的形成和磁各向异性进行了深入探讨。

图2 (a)-(d) Fe3O4(001)薄膜的TEM结果；(e)-(h) Fe3O4(111)薄膜的TEM结果。室温和95 K的衍射斑点分别由室温相和低温相Fe3O4密勒指数标注。(g)中黄字为Al2O3密勒指数。(b)和(f)中棕色和红色小球分别代表Fe和O原子     

文章导读：

        作为人们认识的最早的由电荷有序引起的金属−绝缘体相变，Verwey相变蕴藏着丰富的物理现象与微观机制，备受人们的关注。本文首先简述了早期Verwey相变研究历史，指出早期针对Verwey相变研究受到的障碍；第二部分回顾了对Fe3O4结构的研究历程，包括Verwey相变前后的晶体结构、Fe3O4薄膜中的反相边界和低温下Fe3O4内部形成的孪晶界，以及确定Verwey相变后Fe3O4的结构变化对相变温度附近物性变化的影响；第三部分详细介绍了Fe3O4的电子结构、磁性和电输运特性，总结了Fe3O4电输运研究中的重要结果，深入剖析Fe3O4在Verwey相变附近磁电阻效应、各向异性磁电阻效应和Fe3O4自发铁电极化的物理机制；第四部分对Verwey相变的研究现状和存在问题进行了总结和讨论。

作者简介：

米文博，天津大学理学院应用物理学系教授，博士生导师。1997年9月−2006年3月，在天津大学理学院应用物理学系学习，分别获得学士、硕士和博士学位；2006年3月至今，天津大学理学院应用物理学系任教；2008年7月−9月，香港科技大学物理系访问学者；2010年5月−2011年5月，阿卜杜拉国王科技大学太阳能和可再生能源中心博士后；2014年4月−6月，阿卜杜拉国王科技大学物理系访问学者。主要从事自旋电子学物理、材料与器件方面的研究工作，已发表学术论文200余篇，出版教材/专著4部。