[論文レビュー] Fabrication and Electrical Properties of Pure VO2 Phase Films

Byung Gyu Chae, Doo‐Hyeb Youn+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2003

Transition Metal Oxide Nanomaterials被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、酸素分圧が相純度を制御する中で、アルミナ基板上に純粋でエピタキシャルなVO2薄膜をパulsed laser deposition（PLD）を用いて効果的に作製することに成功した。薄膜は338 Kで急激な金属絶縁体転移（MIT）を示し、抵抗値変化は約10⁴に達する。電界誘起MITが観察され、金属的挙動に特徴的な集団的電流運動を示している。

ABSTRACT

We have grown VO2 thin films by laser ablation for electronic device applications. In obtaining the thin films of the pure VO2 phase, oxygen partial pressure is a critical parameter because vanadium oxides have several phases with the oxygen concentration. It is found that the pure VO2 films are epitaxially grown on Al2O3 substrate in the narrow ranges of 55-60 mTorr in an Ar+10% O2 ambient, and that the mixed phase films are synthesized when the deposition pressure slightly deviates from the optimum pressure. The (100) oriented VO2 films undergo an abrupt metal-insulator transition (MIT) with resistance change of an order of 104 at 338K. In the films of mixed phases, the small change of the resistance is observed at the same temperature. The polycrystalline films grown on SiO2/Si substrate undergo a broaden MIT of the resistance. Furthermore, the abrupt MIT and collective current motion appearing in metal are observed when the electric field is applied to the film.

研究の動機と目的

• 金属絶縁体転移（MIT）特性を向上させるために、純相のVO2薄膜を実現すること。
• パルスレーザー蒸着法を用いた際の相純度のVO2成長に最適な酸素分圧窓を同定すること。
• VO2薄膜の電気的応答、特にMITの急峻さと変化の大きさを調査すること。
• エピタキシャルVO2薄膜における電界誘起MITおよび集団的電流運動を検討すること。
• 薄膜の結晶性、配向性、相組成と電気的挙動との相関関係を明らかにすること。

提案手法

• アルゴンガスに10%酸素を混合した雰囲気下で、248 nmのKrF準分子レーザーを用いたパルスレーザー蒸着（PLD）を、バナジウム金属ターゲットを用いて実施。
• 基板温度を450 °Cに維持し、作動圧力を50–200 mTorrの範囲で変化させ、酸素分圧を制御。
• c面アルミナ（α-Al2O3）基板上でのエピタキシャル成長およびSiO2/Si基板上での多結晶成長を実施。
• X線回折（XRD）およびRHEEDを用いて結晶構造、配向性、エピタキシャル品質を確認。
• 4.2–400 Kの温度範囲で、温度依存抵抗率を四端子法で測定。
• 二端子素子構造を用い、Au/Cr電極を形成し、電流適合制御を施して電界誘起MITを測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルスレーザー蒸着法を用いた場合、相純度のVO2薄膜が成長可能な酸素分圧の範囲は何か？
• RQ2 薄膜の配向性および結晶性は、VO2薄膜における金属絶縁体転移特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 アルミナ基板上にエピタキシャル成長したVO2薄膜における金属絶縁体転移の大きさと急峻さは何か？
• RQ4 VO2薄膜において電界誘起金属絶縁体転移を観察できるか。また、それは電流輸送に何を示唆するか？
• RQ5 混合相の薄膜または酸素欠陥状態では、転移温度付近の電気的応答にどのような影響が生じるか？

主な発見

• 純粋なVO2相の薄膜は、アルゴンに10%酸素を混合した雰囲気下で、酸素分圧が55–60 mTorrの狭い範囲でのみ達成された。
• c面アルミナ基板上にエピタキシャル（100）配向のVO2薄膜は、Tc ≈ 338 Kで急激な金属絶縁体転移を示し、抵抗値変化は約3 × 10⁴に達した。
• 転移幅は約3 Kであり、一次相転移を示すもので、熱的ヒステリシスは約4 Kであった。
• 混合相の薄膜（例：65および70 mTorr）では、抵抗値変化が著しく低下し、転移幅が広がり、MIT特性が劣化していた。
• SiO2/Si基板上に多結晶成長させたVO2薄膜は、約341 Kでより急峻でない転移を示し、幅は10 K、明確な抵抗値ジャンプは観察されなかった。
• エピタキシャルVO2薄膜では電界誘起MITが観察され、約5 mAの電流適合条件下で急激な電流ジャンプが観測され、金属的挙動に特徴的な集団的電流運動を示した。