Investigation of metal-insulator transition in epitaxial VO2 films using conductive-atomic force microscopy
전도성 원자 힘 현미경을 이용한 에피택셜 이산화 바나듐에서의 금속-절연체 상전이 연구
- 주제(키워드) metal-insulator transition , vanadium dioxide , conductive-atomic force microscopy , 금속-절연체 상전이 , 이산화 바나듐 , 전도성 원자 힘 현미경
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 양상모
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- UCI I804:11029-000000066223
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
Vanadium dioxide (VO2) is one of the extensively studied correlated oxides in condensed matter physics due to an intriguing metal-insulator transition (MIT). Especially, its transition temperature is relatively close to room temperature (about 340 K in bulk) and thus it has also attracted considerable interest in the viewpoint of applications such as thermal sensors, thermal switches, and memristive devices [1]. However, in spite of many studies so far, there is still a lack of comprehensive understanding of the primary MIT mechanism. In this respect, the direct observation of temperature-dependent local conductance changes can help us to get further insight into the detailed MIT behavior of VO2. In the thesis, epitaxial VO2/Al2O3 heterostructures were chosen as a model system and electrical and structural phase transition processes were studied. The local conductance changes in epitaxial grown VO2 thin films were directly visualized using conductive-atomic force microscopy (c-AFM). The lateral transport between the tip and the planar Au electrode was measured at different temperatures (from room temperature to 355 K). Interestingly, the ring patterns in the c-AFM images were observed, indicating the grain boundaries are more conductive than the center of the grain. In addition, such intriguing ring patterns were observed at the whole measured temperature ranges, which is different from the previous c-AFM study in the polycrystalline VO2 films grown on Si substrates [2]. Local conduction mechanism in the grain boundary regions was studied using current-voltage (I-V) spectroscopy by k-means clustering and Bayesian linear unmixing method. Furthermore, based on the Raman spectroscopy, the ring patterns are presumably due to the coexistence of different insulating monoclinic phases (so-called M1 and M2).
more초록/요약
이산화 바나듐 (vanadium dioxide, VO2)은 대표적인 금속-절연체 상전이(metal-insulator transition, MIT) 물질로 특정 온도에서 상전이가 일어나 저항이 달라진다. 전기적 상전이가 일어나면서 대부분 구조적 상전이도 수반되며 상전이 온도 이상에서는 저항이 낮아져 금속 특성을 가지며 tetragonal(rutile) 구조를 가지지만 상전이 온도 이하에서는 저항이 높아지고 절연체 특성이 가지며 monoclinic 구조를 가지게 된다. VO2는 상온 근방의 비교적 낮은 상전이 온도와 큰 저항 수준 차이는 스위치나 센서 등으로 응용 가능성이 있지만 상전이의 원리에 대해서는 아직 명확하게 규명된 바가 없다. 본 연구에서는 c-사파이어 (c-sapphire, c-Al2O3) 기판의 결정축에 따라 기른 VO2 박막을 전도성 원자 힘 현미경(conductive-atomic force microscope)을 이용해 국소적인 영역에서의 온도에 따른 시료의 전도성 변화를 연구해 상전이 과정을 시각화하였다. 표면 형상과 동시에 얻은 전류 이미지에서 온도가 증가함에 따라 전류 수준이 증가함을 확인하였고 이는 거시적으로 온도에 따른 저항을 측정한 결과와도 일치하며 흥미롭게도, VO2의 결정립 가장자리에서만 전도성을 띄는 것을 관찰하였다. 이는 상온에서부터 monoclinic상 중 M1과 M2 상이 혼재함을 의미한다. 또한, I-V spectroscopy mapping을 통해 얻은 결과들로 k-means clustering과 Bayesian unmixing을 통해 결정립의 위치마다 어떤 전자 수송의 메커니즘을 가지는지 분석하고자 하였다. 이 외에도 X-광선 회절 분석, 라만 분광법을 통해 c-AFM 결과와 같이 상온에서부터 M1과 M2 상이 같이 존재함을 확인하였으며 이후 온도를 변화시켜가며 측정한 라만 분광법을 통해 monoclinic 상들이 상전이 온도 이상에서는 rutile 상으로 변하였음을 관찰하였다.
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