[論文レビュー] Isothermal current-driven insulator-to-metal transition in VO$_ ext{2}$ through strong correlation effect

Yin Shi, Long‐Qing Chen|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2018

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 42被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ジュール加熱を除き、等温かつ電流駆動型絶縁体-金属転移（IMT）における電子相関の役割を分離・分析するための位相場モデルを提案する。ミクロスケールのモデルが構造的秩序、電子相関、自由キャリアのダイナミクスを結合していることから、著者らは、高い電流密度（約10¹¹ A/m²）が電子相関を介して超高速（数ナノ秒）スイッチングを誘発し、低温でM2相を安定化させ、界面壁の運動を引き起こすことを示した。これにより、VO₂ベースの電子スイッチの設計原理が得られる。

ABSTRACT

Electric current has been experimentally demonstrated to be able to drive the insulator-to-metal transition (IMT) in VO$_2$. The main mechanisms involved are believed to be the Joule heating effect and the strong electron-correlation effect. These effects are often entangled with each other in experiments, which complicates the understanding of the essential nature of the observations. We formulate a phase-field model to investigate theoretically in mesoscale the pure correlation effect brought by the current on the IMT in VO$_2$, i.e., the isothermal process under the current. We find that a current with a large density ($\sim 10^1$ nA/nm$^2$) induces a few-nanosecond ultrafast switch in VO$_2$, in agreement with the experiment. The temperature-current phase diagram is further calculated, which reveals that the current may induce the M2 phase at low temperatures. The current is also shown capable of driving domain walls to move. Our work may assist related experiments and provide guidance to the engineering of VO$_2$-based electric switching devices.

研究の動機と目的

• 実験においてしばしば混在するジュール加熱と電子相関の効果を分離し、VO₂における電流駆動型IMTにおける電子相関の影響を解明すること。
• 連続位相場モデルを用いて、VO₂における等温電流駆動型IMTのミクロスケール力学を調査すること。
• 電子相関が単独で、非平衡相（例：M2相）を低温で安定化させ、超高速スイッチングを誘発できるかどうかを特定すること。
• 熱的効果とは独立して、電流注入下での界面壁の運動を調査すること。

提案手法

• ラウール・ギンツブルグ・デヴォンシードのポテンシャルを用いて、構造的歪み、電子相関、自由キャリア密度を統合した位相場モデルを構築した。
• 等温条件下で、時間に依存するキャーン＝ヒリアード方程式およびアレン＝キャーン方程式を、秩序パラメータおよびキャリア密度について解いた。
• 電気化学ポテンシャル勾配を介して電流密度を駆動力として組み込み、電荷保存則をポisson型方程式によって強制した。
• 適応的時間刻みの有限要素法を用いて、ドメインの進化および電流誘起転移をシミュレートした。
• 既知の平衡相を再現し、固定温度下での電流駆動型転移をシミュレートすることで、モデルの妥当性を検証した。
• 等温電流注入下でのM2相の安定性領域をマップするため、温度-電流密度相図を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子相関が単独で、等温条件下におけるVO₂の超高速絶縁体-金属転移を駆動できるか？
• RQ2 ジュール加熱とは独立して、数ナノ秒スイッチングを誘発するための電流密度はどの程度か？
• RQ3 電流注入によって、バルク転移温度未満の低温でもM2単斜晶相が安定化するか？
• RQ4 電流はM1相における界面壁の運動を引き起こせるか？もしそうなら、どの方向に移動するか？
• RQ5 熱的駆動転移と比較して、電流誘起転移は力学的挙動および相の安定性においてどのように異なるか？

主な発見

• 約10¹¹ A/m²の電流密度が、実験観察と整合的なかつて数ナノ秒のうちにVO₂における超高速絶縁体-金属転移を誘発する。
• 温度-電流密度相図から、等温電流注入下で低温領域でもM2相が安定化可能であることが明らかになった。これは非平衡相転移を示唆する。
• 電流注入により、二重構造の界面壁が電流とは逆方向（負極に向かって）に移動し、27 nsで完全な壁移動が達成された。
• 界面壁の運動は、壁に生じるネット電荷が形成する有効な双極子モーメントが電場と相互作用することに起因し、ジュール加熱では説明できない。
• シミュレーションにより、電子相関の効果のみで熱的励起なしにIMTが誘発されることを確認した。これは、超高速スイッチングの非熱的メカニズムを支持する。
• 本モデルは、電流下における相の進化およびドメイン構造の変化のダイナミクスを的確に捉えており、VO₂ベースの電気的スイッチデバイスの設計に理論的フレームワークを提供する。