[論文レビュー] Room temperature Mott metal-insulator transition in V2O3 compounds induced via strain-engineering

Pía Homm, Mariela Menghini+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 31被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、特徴的な酸化物ヘテロ構造を用いたエピタキシャル歪み工学により、純粋および1.5% CrドープされたV2O3薄膜において、室温でのモット金属絶縁体転移（MIT）を実証した。イン-plane格子定数を4.943 Åから5.037 Åへ精密に調整することにより、中間的な電子相を安定化させ、最大100,000%に達する巨大な抵抗率変化を実現し、バルク材料の限界を超えて、電子的および光学的性質を連続的に制御可能となった。

ABSTRACT

Vanadium sesquioxide (V2O3) is an archetypal Mott insulator in which the atomic positions and electron correlations change as temperature, pressure or doping are varied giving rise to different structural, magnetic or electronic phase transitions. Remarkably, the isostructural Mott transition in Cr-doped V2O3 between paramagnetic metallic and insulating phase observed in bulk has been elusive in thin film compounds so far. Here, via continuous lattice deformations induced by heteroepitaxy we demonstrate a room temperature Mott metal-insulator transition in 1.5% Cr-doped and pure V2O3 thin films. By means of a controlled epitaxial strain, not only the structure but also the intrinsic electronic and optical properties of the thin films are stabilized at different intermediate states between the metallic and insulating phases, inaccessible in bulk materials. This leads to films with unique features such as a colossal change in room temperature resistivity (DR/R up to 100,000 %) and a broad range of optical constant values, as consequence of a strain-modulated bandgap. We propose a new phase diagram for pure and Cr-doped V2O3 thin films with the engineered in-plane lattice constant as a tuneable parameter. Our results demonstrate that controlling phase transitions in correlated systems by epitaxial strain offers a radical new approach to create the next generation of Mott devices.

研究の動機と目的

• バルクおよび従来の薄膜形態では基板によるクランプ効果や構造的不規則性により抑制される室温における等構造的モットMITを、エピタキシャルV2O3薄膜で安定化するという長年の課題を克服すること。
• バルク材料がアクセス可能な相空間を超えて、エピタキシャル歪みを調整可能なパラメータとして用いることで、V2O3薄膜の体系的相図を確立すること。
• 室温で金属的状態と絶縁体的状態の間を連続的に遷移させられるように歪み工学を用いることで、新たな中間的電子相にアクセスできることを示すこと。
• 格子歪みがバンドギャップおよび電子構造をどのように調節するかを解明し、歪み効果と化学ドーピングを分離すること。
• 室温で大規模かつ可逆的な抵抗および光学応答を安定化させることにより、抵抗スイッチングデバイス、センサ、光子素子への実用的応用を可能にすること。

提案手法

• イン-plane格子定数が4.943 Åから5.037 Åの範囲で精密に制御された人工的に設計された酸化物ヘテロ構造上にエピタキシャルV2O3薄膜を形成する。
• 可変組成の格子整合性を持つバッファ層上に、分子ビームエpitaxy（MBE）を用いて高品質で単結晶のV2O3薄膜を成長させる。
• 高分解能X線回折（HRXRD）および逆空間マッピングを用いて歪みおよび構造的進化を特徴づける。
• 電気的抵抗率および分光的屈折率測定（SE）を測定し、歪み値に応じた金属絶縁体転移の追跡と光学定数の抽出を実施する。
• バッファ層およびV2O3薄膜の化学組成を確認するため、エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）を用いる。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）および回折を用いて、ナノスケールでの微細構造および相共存状態を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エピタキシャル歪み工学により、バルクおよび従来の薄膜形態では存在しない室温における等構造的モット金属絶縁体転移が、V2O3薄膜で安定化可能か？
• RQ2 イン-plane格子定数の体系的変動が、V2O3薄膜の電子的および光学的性質にどのように影響するか？
• RQ3 歪み下で金属的状態と絶縁体的状態の間のどのような中間的電子相が出現し、それらはバルク材料でアクセス可能か？
• RQ4 歪み工学が、V2O3におけるモット転移の調節において、化学ドーピングを上回る効果を示す程度はどの程度か？
• RQ5 歪み下で観測された巨大な抵抗率変化（ΔR/R > 100,000%）の起源は何か、そしてバンドギャップの変調とどのように関連しているか？

主な発見

• エピタキシャル歪み工学により、純粋および1.5% CrドープV2O3薄膜の両方で、室温でのモット金属絶縁体転移が成功裏に誘発された。
• 薄膜は室温で最大100,000%に達する巨大な抵抗率変化を示し、バルクCrドープV2O3で観測される3桁の変化を著しく上回った。
• 金属的状態と絶縁体的状態の間の中間的電子相が安定化され、バルクV2O3ではそのような歪み制御が存在しないためにアクセス不可能であった。
• 歪みによってバンドギャップが変調されることにより、薄膜の光学定数が広範囲にわたって変化し、近赤外領域のチューナブルな光学応答が可能になった。
• 転移は格子歪みによるものであり、化学ドーピングは不要であり、Crドーピングが室温でのMITに不可欠であるという従来の見解に疑問を呈する。
• バルクV2O3における低エネルギー領域のスペクトル重みは、局所的な不均一性に起因するアーティファクトであり、モット物理学の本質的特徴ではない可能性が、歪み工学によって明らかになった。