[論文レビュー] Metal to insulator transition at the surface of V<sub>2</sub>O<sub>3</sub> thin films: An in-situ view

Marco Caputo, Jasmin Jandke+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 48被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、パulsed laser-deposition (PLD) による V₂O₃薄膜が約185 Kでバルクに類似した金属-絶縁体転移 (MIT) を示し、表面が原子的にクリーンで良好に整列した (0001) 面を有することを示した。著者らは、in-situ 転送を用いて、STM、LEED、XPS、XAS による高品質な表面評価を実現し、ARPES を用いて MIT に伴うバンド再編成を直接観察した。これにより、強い相関電子系の基礎的研究およびデバイス指向の研究に適したプラットフォームとして、V₂O₃薄膜が確立された。

ABSTRACT

V<sub>2</sub>O<sub>3</sub> has long been studied as a prototypical strongly correlated material. The difficulty in obtaining clean, well ordered surfaces, however, hindered the use of surface sensitive techniques to study its electronic structure. Here we show by means of X-ray diffraction and electrical transport that thin films prepared by pulsed laser deposition can reproduce the functionality of bulk V<sub>2</sub>O<sub>3</sub>. The same films, when transferred <em>in-situ</em>, show an excellent surface quality as indicated by scanning tunnelling microscopy and low energy electron diffraction, representing a viable approach to study the metal-insulator transition in V<sub>2</sub>O<sub>3</sub> by means of angle-resolved photoemission spectroscopy. Combined, these two aspects pave the way for the use of V<sub>2</sub>O<sub>3</sub> thin films in device-oriented heterostructures.

研究の動機と目的

• バルクの電子的および構造的性質を保持しつつ、高品質な表面研究が可能な V₂O₃薄膜の成長プロトコルの開発。
• 表面の劣化を回避するため、ex-situ 転送の課題を克服し、表面感受性技術に適した in-situ 転送プロトコルの実装。
• Pulsed laser deposition (PLD) で成長した V₂O₃薄膜を、金属-絶縁体転移の in-situ 角度分解光電子分光法 (ARPES) のための実用的プラットフォームとして確立すること。
• STM、LEED、XPS、XAS などの補完的技術を用いて、表面の品質および電子状態の正確性を検証すること。
• ストイキオメトリック制御と代表的な表面終末を確保することで、将来のデバイス指向のヘテロ構造の実現を可能にすること。

提案手法

• 超高真空 (p < 10⁻⁷ mbar) 条件下、750 °C で (0001) 面を有するサファイア基板上に、Pulsed laser deposition (PLD) による V₂O₃薄膜の成長。
• PLD 装置から同期放射光ベースの実験室に、表面の完全性を保つために in-situ 転送を実施。
• 構造的特徴と膜厚の決定のため、X線回折 (XRD) およびX線反射率 (XRR) を用いる。
• 四端子dc抵抗測定（van-der-Pauw配置）により、約185 K での金属-絶縁体転移 (MIT) の確認。
• 走査トンネル顕微鏡 (STM) および低エネルギー電子回折 (LEED) を用いて、実空間における表面形貌および長距離秩序の評価。
• X線光電子分光法 (XPS) およびX線吸収分光法 (XAS) を全電子収率 (TEY) モードで実施し、表面の電子状態および化学状態のプローブ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pulsed laser deposition は、明確な金属-絶縁体転移を示す、バルクに類似した電子的および構造的性質を有する V₂O₃薄膜を生成可能か？
• RQ2 PLD で成長した V₂O₃薄膜の表面は、バルクの (0001) 表面の電子状態および終末構造を保持しているか？
• RQ3 ex-situ 転送は、in-situ 転送と比較して、表面の品質および電子状態にどのような影響を及えるか？
• RQ4 in-situ ARPES は、V₂O₃ の表面における MIT に伴うバンド再編成を解明できるか？
• RQ5 XPS、XAS、STM、LEED などの表面感受性技術は、PLD で成長した薄膜の表面がバルクにどの程度正確に再現されているかをどの程度確認できるか？

主な発見

• Pulsed laser deposition により、四端子dc抵抗測定により約185 K で明確な金属-絶縁体転移を示す V₂O₃薄膜が得られた。
• XRD の θ−2θ スキャンでは (0006l) 峰のみが観察され、サファイア基板上でのc軸優先配列およびエpitaxial成長を示している。
• in-situ STM および LEED により、長距離秩序を有し、ハニカム格子構造を示す良好に整列した (0001) 表面が観察され、バルクの終末構造と整合的である。
• XPS および XAS 測定により、正しい V³⁺酸化状態および表面電子状態が確認され、表面の劣化や汚染の兆候は認められなかった。
• ex-situ 転送された試料では、XPS および XAS により表面の著しい劣化が確認され、表面感受性研究において in-situ 転送の必要性が強く示された。
• in-situ で実施した ARPES 測定により、MIT に伴うバンド再編成が捉えられ、表面電子状態における転移の直接的証拠が得られた。