[논문 리뷰] Room temperature Mott metal-insulator transition in V2O3 compounds induced via strain-engineering

Pía Homm, Mariela Menghini외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 12.

Transition Metal Oxide Nanomaterials참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 특수 산화물 이중구조체를 이용한 에피택셜 스트레인 공학을 통해 순수 및 1.5% Cr 도핑된 V2O3 박막에서 실온에서 Mott 금속-절연체 전이(MIT)를 입증한다. 4.943 Å에서 5.037 Å로 정밀하게 조절된 면내 격자 상수를 통해 연구진은 중간 전자상태를 안정화하고 최대 100,000%의 기하급수적인 저항률 변화를 달성하여, 박막의 한계를 초월한 전자적 및 광학적 성질의 연속적 제어를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기판에 의한 클램핑과 구조적 무질서로 인해 박막 및 거친 형태에서 억제되는 실온에서의 등구조적 Mott MIT를 안정화하는 데 장기적인 과제를 해결하기 위해.
• 에피택셜 스트레인을 조절 가능한 매개변수로 사용하여 V2O3 박막의 체계적 상도도를 수립하고, 거친 물질에서 접근할 수 없는 상공간을 초월하기 위해.
• 실온에서 스트레인을 통해 금속상과 절연상 사이의 연속적인 전이를 유도하여 새로운 중간 전자상에 접근할 수 있음을 입증하기 위해.
• 격자 변형이 밴드 갭과 전자 구조를 어떻게 조절하는지 분석하고, 스트레인 효과를 화학 도핑과 분리하여 분리하기 위해.
• 실온에서 큰, 가역적인 저항 및 광학 반응을 안정화시켜 저항성 스위칭 장치, 센서 및 광학 컴포onent에 실용적 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 면내 격자 상수를 4.943 Å에서 5.037 Å로 정밀하게 제어한 인공적으로 설계된 산화물 이중구조체 기반의 에피택셜 V2O3 박막의 제조.
• 조절 가능한 조성의 격자 일치 버퍼층에 고품질 단일결정 V2O3 박막을 분자束외성장법(MBE)을 이용해 성장.
• 고해상도 X선 회절(HRXRD) 및 역공간 맵핑을 활용한 스트레인 및 구조적 진화의 특성 분석.
• 전기적 저항률 측정 및 스펙트로스코픽 타원도메트리(SE)를 통한 광학 상수 추출 및 스트레인 값에 따른 금속-절연체 전이 추적.
• 버퍼층 및 V2O3 박막의 화학 조성을 확인하기 위해 에너지 분산형 X선 분석(EDX)의 활용.
• 투과전자현미경(TEM) 및 회절을 활용한 나노스케일에서의 미세구조 및 상 공존 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에피택셜 스트레인 공학을 통해 실온에서 존재하지 않는 Mott 금속-절연체 전이를 순수 및 Cr 도핑된 V2O3 박막에서 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 면내 격자 상수의 체계적 변화가 V2O3 박막의 전자적 및 광학적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스트레인 하에서 금속상과 절연상 사이에 나타나는 중간 전자상은 무엇이며, 이들은 거친 물질에서 접근 가능한가?
• RQ4 스트레인 공학이 V2O3의 Mott 전이 조절에서 화학 도핑보다 어느 정도 뛰어난가?
• RQ5 스트레인 하에서 관측된 기하급수적인 저항률 변화(ΔR/R > 100,000%)의 근본 원인은 무엇이며, 이는 밴드 갭 조절과 어떤 관련이 있는가?

주요 결과

• 순수 및 1.5% Cr 도핑된 V2O3 박막에서 에피택셜 스트레인 공학을 통해 실온에서 Mott 금속-절연체 전이가 성공적으로 유도되었다.
• 박막은 실온에서 최대 100,000%의 기하급수적인 저항률 변화를 나타내었으며, 이는 거친 Cr 도핑 V2O3에서 관측된 3개의 주기 변화를 크게 초월한다.
• 금속상과 절연상 사이의 중간 전자상이 안정화되었으며, 이는 거친 V2O3에서 이러한 스트레인 제어가 없어 접근이 불가능하기 때문이다.
• 스트레인에 의해 조절되는 밴드 갭으로 인해 박막의 광학 상수가 넓은 범위를 차지하여 가까운 적외선 영역에서의 조절 가능한 광학 반응이 가능하다.
• 전이가 화학 도핑 없이 순수한 격자 변형에 의해 유도되며, Cr 도핑이 실온에서 MIT를 유도하는 데 필수적이라는 기존의 견해에 도전한다.
• 거친 V2O3에서 관측된 저에너지 스펙트럼 무게는 국소적 비균일성의 산물일 수 있으며, Mott 물리학의 본질적 특성이 아니며, 스트레인 공학이 더 균일한 전자 반응을 드러낸다.