未来物質領域M1コロキウム　2011年12月14日　第1発表者

発表者

川谷　健一(田中研究室)

指導教員

神吉 輝夫

Title

Creation of huge metal-insulator domain and its electrical conduction property in VO₂ thin film on TiO₂(001) substrate

Abstract

Transition metal oxides with strongly correlated electrons have much attractive physical properties such as high-temperature superconductivity and colossal metal-insulator transition, showing quite different physical behaviors from conventional electronic materials that are adaptable to free electron models. When focusing on nano-space in these correlated materials with narrow 3d electronic orbitals, different electronic phases such as metal/insulator phases spatially coexist, forming nano-scaled domains.
Concerning past investigation of electronic properties of these materials, spatial averaged properties have been measured using millimeter-size samples. On the other hand, in order to understand the primordial physical properties, evaluation and control of one electronic domain are required. From this viewpoint, we have tried to investigate individual domain behaviors near metal-insulator transition (MIT) temperature in vanadium dioxide (VO₂) with correlated electrons. VO₂ show MIT near the room temperature, which is good for future electronics application. We have fabricated VO₂ thin films on TiO₂(001) substrate, and have found appearance of large scaled domains with micrometer which was larger than that in past reports. This phenomenon might be caused by the strain from lattice mismatch between VO₂ and TiO₂(001) substrate. The domain behavior can be directly observed by an optical microscope. As a result, we could consistently compare between each domain behaviors and electronic properties as a function of temperature and electric field.
In this presentation, I’ll report detail of these results with concrete research background.

日本語タイトル

TiO₂(001)基板上のVO2薄膜における 巨大金属‐絶縁体ドメイン生成と電気伝導特性

日本語概要

高温超伝導や巨大金属‐絶縁体相転移といった従来エレクトロニクス材料にはない非常に魅力的な物性現象を持つ強相関電子系酸化物は、次世代電子・エネルギー材料として注目されている。 それらの物質では、狭い3d電子軌道を流れる伝導電子同士のクーロン反発力による電子相関効果により、金属相・絶縁体相のような異なる電子相が物質中に共存している。 電子相は、ナノスケールのドメインとなり分離しており、これまでの電気伝導物性では、試料は一般にミリサイズであり、電子相に比較し大きく、不均質電子相の平均的な挙動を観測してきた。 単一電子相の測定・制御は強相関電子物性の基礎、及びエレクトロニクス応用の観点から非常に興味深い。
　私はその中で、室温エレクトロニクス応用の可能性の高い室温近傍に金属‐絶縁体相転移を持つ二酸化バナジウム(VO₂)に注目し、単一ドメインの物性測定・制御を試みている。 今回、TiO₂(001)基板を用いてVO2薄膜を作製したところ、基板とのミスマッチによる歪効果が原因と考えられる従来にないマイクロメートルスケールの巨大なドメインを観測した。 抵抗値の温度・電圧依存性を測定したところ、相転移近傍では、個々の巨大ドメインの相転移による 急峻な抵抗値の飛びを確認し、単一ドメインの挙動測定に成功した。 当日、具体的な研究背景とともにこれらの詳細な実験結果について報告する。

References

[1]Bo Huang, Wenqin Wang, Mark Bates, Xiaowei Zhuang　Science 319, 810 (2008)
[2] M. Bates, B. Huang, G. T. Dempsey, X. Zhuang, Science 317, 1749 (2007)
[3] V. I. Slepnev, P. De Camilli, Nat. Rev. Neurosci. 1, 161 (2000)