Advanced Materials | 从薄膜到纳米点：Fe3O4 在 Nb：STO 上的自下而上积分，用于功能氧化物纳米结构

氧化物衬底上氧化铁薄膜的外延异质结构在自旋电子学应用中具有广阔的前景。将此类异质结构缩小为有序纳米结构可以集成到功能器件中。然而，制造有序的纳米结构同时保持其结构和功能完整性仍然具有挑战性。采用自下而上的方法在 Nb 掺杂的 SrTiO 3 (Nb:STO) 基板上生长外延 Fe 3 O 4纳米点阵列，集成阳极氧化铝 (AAO) 模板与脉冲激光沉积。按照这种方法，Fe 3 O 4的横向限制然后通过掠入射小角度 X 射线散射 (GISAXS) 和扫描电子显微镜 (SEM) 证实，纳米点具有 3D 长程有序性，为 30 和 70 nm 纳米点。基于这一结构性证据，发现 Verwey 转变得以保留，如连续电影中观察到的那样。为了探索其在纳米电子学中的适用性，使用导电原子力显微镜（c-AFM）来探测局部电行为，并揭示了单个纳米点在室温下的双极电阻开关，这与在薄膜中观察到的行为一致。总之，这些结果首次证明了有序外延 Fe 3 O 4/Nb:STO 纳米点保留了结构、磁性和电学功能，为复杂氧化物的纳米级集成提供了一条通用途径。

该研究以题为“From Thin Films to Nanodots: Bottom-Up Integration of Fe3O4 on Nb:STO for Functional Oxide Nanostructures”发表在Advanced Materials上。

图1

(a) 在Nb:STO(001)衬底上生长的Fe3O4(001)薄膜的高分辨STEM-HAADF图像。放大的插图中突出显示了Fe3O4晶格。

(b) 薄膜-衬底界面的EDS线扫描剖面。对应的元素分布结果如图S3c所示。

(c) 氧化铁薄膜在Fe L2,3边和O K边的电子能量损失谱（EELS）。

(d) 30 nm厚Fe3O4薄膜在室温50 mT磁场下测量的Fe L2,3边XAS谱。

(e) 对应的XMCD谱，实验数据拟合了不同晶格位点Fe离子的贡献。

(f) 极化中子反射率（PNR）数据（点）及通过GenX获得的拟合曲线（实线），插图为PNR拟合得到的核散射长度密度（NSLD）和磁散射长度密度（MSLD）分布。

使用AAO模板在Nb:STO上制备Fe3O4纳米点及其SEM表征。(a–c) 制备步骤示意图：(a) Nb:STO上的AAO模板，(b) 通过模板沉积Fe3O4，(c) 移除模板后形成有序纳米点。(d) Nb:STO基底上纳米点的横截面示意图。(e–g) 30 nm样品分别对应步骤(a–c)的SEM图像，插图为FFT衍射图。(i–k) 70 nm样品分别对应步骤(a–c)的SEM图像，插图为FFT衍射图。(h, l) 分别从(e, g)和(i, k)中提取的纳米孔（灰色）与纳米点（红色）直径分布图，虚线为对数正态拟合曲线。

图3

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不同制备阶段下30纳米纳米结构的GISAXS图案：(a) AAO/Nb:STO；(b) Fe3O4/AAO/Nb:STO；(c) Fe3O4/Nb:STO。(d) 三个制备阶段沿𝑄𝑦方向的GISAXS积分强度。根据二维六方晶格假设标注布拉格峰，其孔间/点间距为𝑙=63.5±0.5纳米。(e) 左：图(f)所示实验GISAXS图案的局部放大；右：对应模拟结果。(f) 实验与模拟图案沿𝑄𝑧方向的积分强度对比（数据来源于图(h)）。

图4

在相同条件下生长的薄膜与纳米点的比较：（a）XRD图谱，插图为计算得出的面外晶格常数𝑐oop；（b）温度依赖性磁化强度，插图为首次导数d𝑀/d𝑇；（c）在10 K下测量的磁滞回线。

图5

(a) 100次循环的电流-电压（I-V）特性曲线，(b) 初始态、低阻态（LRS）和高阻态（HRS）的电阻面积依赖性（对数-对数坐标），测试对象为沉积在Nb:STO衬底上的30纳米厚Fe3O4薄膜；30纳米直径Fe3O4纳米点的导电原子力显微镜测量。(c) 使用1nN扫描力获得的400纳米×400纳米区域形貌图。(d) 在+1V偏压下与形貌图(c)同步获取的电流分布图。(e) 形貌与电流扫描剖面（对应(c)中蓝色线与(d)中橙色虚线），显示电流响应与纳米点空间位置匹配。(f) 对(c)中绿色标记纳米点进行I-V扫描的结果。

总结

近日，一项发表在《Advanced Materials》上的研究成功展示了如何通过自下而上的方法，在Nb掺杂的SrTiO₃衬底上集成高质量的Fe₃O₄（磁铁矿）纳米点阵列。研究团队结合阳极氧化铝模板与脉冲激光沉积技术，实现了直径分别为30 nm和70 nm的纳米点阵列的生长，并通过GISAXS和SEM确认了其长期有序的六方排列。XRD、EELS和XMCD等分析表明，这些纳米点不仅保留了Fe₃O₄的高结晶质量，还维持了其标志性的Verwey转变特性，表明其化学计量比接近理想值。此外，极化中子反射测量进一步揭示，在薄膜界面处存在约3 nm厚的γ-Fe₂O₃层，这一结构对后续电学性能起到了关键作用。

在电学性能测试中，研究团队利用导电原子力显微镜在单个30 nm Fe₃O₄纳米点上观察到了稳定的双极阻变行为，表现出与连续薄膜相似的SET/RESET特性。这种阻变机制可能与界面的γ-Fe₂O₃层在电压驱动下的氧交换过程有关。该研究首次证实，在将Fe₃O₄从薄膜尺度缩小至纳米点后，其结构、磁性和电学功能均得以保留。这一成果为高密度存储阵列、自旋电子器件及功能性氧化物纳米结构的集成提供了可行的路径，展示了其在未来纳米电子器件中的应用潜力。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.202517938

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