[논문 리뷰] Fabrication and Electrical Properties of Pure VO2 Phase Films

Byung Gyu Chae, Doo‐Hyeb Youn외 3명|arXiv (Cornell University)|2003. 11. 27.

Transition Metal Oxide Nanomaterials인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 펄스 레이저 증착을 통해 산사태 기반에서 순수한 에pitaxial VO2 박막을 성공적으로 제조한 바, 산소 부분압이 상의 순도를 결정적으로 조절한다. 박막은 338 K에서 급격한 금속-반도체 전이를 나타내며 저항 변화가 약 10⁴에 이르며, 전기장에 의해 유도된 MIT가 관찰되어 금속적 거동의 특징적인 집단적 전류 운동을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 향상된 금속-반도체 전이(MIT) 특성을 갖는 순수 상 VO2 박막을 확보하기 위해.
• 펄스 레이저 증착을 통한 상 순수한 VO2 성장에 최적의 산소 부분압 창을 규명하기 위해.
• VO2 박막의 전기적 반응, 특히 MIT의 급격함과 크기를 조사하기 위해.
• 에피택셜 VO2 박막에서 전기장에 의해 유도된 MIT 및 집단적 전류 운동을 조사하기 위해.
• 박막의 결정성, 정렬 상태 및 상 조성과 전기적 거동 간의 상관관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 크리프 엑스실레이저 레이저(248 nm)를 사용한 펄스 레이저 증착(PLD)으로, 아르곤과 10% 산소의 분위기에서 발라늄 금속 타겟을 사용하였다.
• 기판 온도는 450 °C를 유지하였으며, 산소 부분압을 제어하기 위해 작업 압력을 50–200 mTorr 범위에서 변동시켰다.
• c-면 알루미나(α-Al2O3) 기반에서 에피택셜 성장과 SiO2/Si 기반에서 다결정 성장이 이루어졌다.
• X선 회절(XRD) 및 RHEED를 사용하여 결정 구조, 정렬 상태 및 에피택셜 품질을 확인하였다.
• 4.2–400 K 범위에서 온도 의존 저항 측정을 위해 4점 측정법을 적용하였다.
• Au/Cr 전극과 전류 제한 기능을 갖춘 이중단 장치 구성을 통해 전기장에 의해 유도된 MIT를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄스 레이저 증착을 통한 상 순수한 VO2 박막 성장에 적합한 산소 부분압 범위는 무엇인가?
• RQ2 박막의 정렬 상태 및 결정성이 VO2 박막의 금속-반도체 전이 특성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 알루미나 기반의 에피택셜 VO2 박막에서 금속-반도체 전이의 크기와 급격함은 어떠한가?
• RQ4 VO2 박막에서 전기장에 의해 유도된 금속-반도체 전이를 관찰할 수 있으며, 이는 전류 운동 특성에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 혼합 상 박막 또는 산소 결함 조건은 전이 온도 근처의 전기적 반응에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 순수한 VO2 상 박막은 아르곤과 10% 산소 분위기에서 산소 부분압이 55–60 mTorr의 좁은 범위 내에서만 확보되었다.
• 알루미나 기반에서 (100)-정렬된 에피택셜 VO2 박막은 Tc ≈ 338 K에서 급격한 금속-반도체 전이를 나타내며, 저항 변화가 약 ~3 × 10⁴에 이르렀다.
• 전이 폭은 약 3 K로, 이는 제1종 상전이임을 시사하며, 열적 히스테리시스는 약 4 K였다.
• 혼합 상 박막(예: 65 및 70 mTorr에서)은 저항 변화가著히 감소하고 전이가 넓어져 MIT 특성이 떨어지는 것으로 나타났다.
• SiO2/Si 기반 다결정 VO2 박막은 약 341 K에서 덜 급격한 전이를 보이며 폭이 10 K이고 급격한 저항 점프가 관찰되지 않았다.
• 에피택셜 VO2 박막에서 전기장에 의해 유도된 MIT가 관찰되었으며, 약 5 mA 전류 제한 조건에서 급격한 전류 점프가 나타나, 금속적 거동의 특징적인 집단적 전류 운동을 나타내었다.