[论文解读] Fabrication and Electrical Properties of Pure VO2 Phase Films

Byung Gyu Chae, Doo‐Hyeb Youn+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2003

Transition Metal Oxide Nanomaterials被引用 11

一句话总结

本研究通过脉冲激光沉积法在蓝宝石衬底上成功制备了纯相、外延生长的VO2薄膜，氧分压对相纯度起关键控制作用。薄膜在338 K处表现出突变的金属-绝缘体转变，电阻变化达约10⁴，且观察到电场诱导的金属-绝缘体转变，表明其具有金属态下集体电流运动的特征。

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.

研究动机与目标

• 实现纯相VO2薄膜以增强金属-绝缘体转变（MIT）特性。
• 确定通过脉冲激光沉积法生长相纯VO2薄膜的最佳氧分压窗口。
• 研究VO2薄膜的电学响应，特别是金属-绝缘体转变的突变性和变化幅度。
• 研究外延VO2薄膜中电场诱导的金属-绝缘体转变及集体电流运动行为。
• 将薄膜的结晶质量、取向及相组成与电学行为相关联。

提出的方法

• 使用KrF准分子激光器（248 nm）在氩气+10%氧气气氛中对金属钒靶材进行脉冲激光沉积。
• 衬底温度保持在450 °C，工作气压在50–200 mTorr之间变化以控制氧分压。
• 在c面蓝宝石（α-Al2O3）上外延生长，在SiO2/Si衬底上实现多晶生长。
• 采用X射线衍射（XRD）和反射高能电子衍射（RHEED）确认晶体结构、取向及外延质量。
• 采用四探针法测量4.2–400 K温度范围内电阻率的温度依赖性。
• 通过两终端器件结构（Au/Cr电极）及电流限幅控制，测量电场诱导的金属-绝缘体转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种氧分压范围可实现通过脉冲激光沉积法生长相纯VO2薄膜？
• RQ2 薄膜取向与结晶质量如何影响VO2薄膜中金属-绝缘体转变的特性？
• RQ3 在蓝宝石衬底上外延生长的VO2薄膜中，金属-绝缘体转变的幅度与突变性如何？
• RQ4 是否可在VO2薄膜中观察到电场诱导的金属-绝缘体转变？其对电流输运行为有何揭示？
• RQ5 混合相薄膜或氧缺损条件如何影响薄膜在转变温度附近的电学响应？

主要发现

• 仅在氩气+10%氧气气氛中氧分压为55–60 mTorr的狭窄窗口内，才可获得纯相VO2薄膜。
• 在蓝宝石上外延生长的（100）取向VO2薄膜在Tc ≈ 338 K处表现出突变的金属-绝缘体转变，电阻变化达~3 × 10⁴。
• 转变宽度约为3 K，表明为一级相变，热滞回约为4 K。
• 在65和70 mTorr处形成的混合相薄膜表现出显著降低的电阻变化和更宽的转变，表明金属-绝缘体转变特性退化。
• 在SiO2/Si衬底上生长的多晶VO2薄膜在约341 K处表现出较不突变的转变，宽度为10 K，且无明显的电阻跳跃。
• 在外延VO2薄膜中观察到电场诱导的金属-绝缘体转变，电流在约5 mA限幅时出现尖锐跃迁，表明其具有典型金属行为的集体电流运动。