発表者

玄地　真悟（田中研）

指導教員

山本　真人

Title

Growth of VO₂ thin films on hexagonal boron nitride

Abstract

Vanadium dioxide (VO₂) shows metal-insulator transition (MIT) with giant resistivity or transmittance change around room temperature, and it is highly expected to be applied to opto-electronic devices, such as transistors or bolometers[1][2]. In order to open the new applications of VO₂ devices, it is exciting/essential to grow VO₂ on 2 dimensional materials because they exhibit excellent opto/electro properties with structural flexibility owing to their atomic layered structures in addition to conventionally-used crystalline oxides such as TiO₂ or Al₂O₃. Here, we demonstrated crystalline VO₂ film successfully grown on 2D material of hexagonal boron nitride (hBN), which shows good insulating. hBN flakes were mechanically exfoliated onto Al₂O₃（0001）by an adhesive tape. Thin film was grown by pulsed laser deposition (PLD) method in oxygen atmosphere at the substrate temperature 450℃ and with V₂O₅ as a target. VO₂ on hBN shows strong Raman spectrum of V-O mode around 620 cm^-1, confirming the crystallinity of VO₂. VO₂/hBN was etched to a microwire to measure the electric property. The resistivity of VO₂/hBN exhibited clear MIT behavior with the resistivity changing by > 10². These results open the possibility of fabricating VO₂ transistors with hBN as a back gate insulator, moreover novel hetero-structures composed of VO₂ and other layered materials, such as graphene and transition metal dichalcogenides.

タイトル

六方晶窒化ホウ素上のVO₂の薄膜成長

概要

室温近傍において巨大な抵抗率変化や透過率変化を伴う金属-絶縁体相転移を示す二酸化バナジウム（VO₂）は，トランジスタやボロメータなど様々な光・電子デバイス応用が期待されている材料である[1][2]。VO₂を従来の酸化チタン(TiO₂)やサファイア(Al₂O₃)などの酸化物結晶基板にとどまらず，様々な材料上で薄膜成長させることができれば，一層多様なデバイスへの応用展開が期待される。中でも2次元層状物質は，その2次元性に起因する優れた多様な電子・光学特性とフレキシブル性が期待されており，この2次元層状物質上へのVO₂薄膜成長は新規ヘテロ構造創製の観点から興味深い。本研究では原子層物質として特に，優れた絶縁性と化学的安定性を有する六方晶窒化ホウ素(hBN)を用いた。hBNはAl₂O₃（0001）基板上に粘着テープを用いて機械剥離した。hBN上への成膜は，酸素雰囲気中，基板温度450 ºCにおいて，V₂O₅をターゲットとして用いたパルスレーザー堆積法によって行った。hBN上に作製したVO₂薄膜は，620 cm^-1付近においてV-Oモードに由来する強いラマンピークを有することから，VO₂結晶であることが分かった。次に，VO₂薄膜をhBN層ごと細線状にエッチングし，その抵抗率‐温度特性を調べた。hBN上におけるVO₂の抵抗率は，350K付近で2桁以上変化するな良好な金属-絶縁体相転移特性を示した。これらの結果は，hBNをバックゲート絶縁体として用いたVO₂トランジスタなど，今後のデバイス展開を大いに期待させるだけではなく，グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドなど他の層状物質上においてもVO₂の成長可能性も示唆させるものである。

References

1. Evgheni Strelcov et al. Nano Lett., Vol. 9, No. 6, 2009.
2. Changhong Chen et al. Sensors and Actuators A: Physical Volume 90, Issue 3.

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