Investigation of the effects of thickness on the metal-insulator transition in vanadium dioxide nanocrystals, and development of a novel vanadium dioxide Mott field-effect transistor

Abstract

Vanadyum dioksit (VO2), gerek elektronik ve ultrahızlı optik geçiş uygulamalarında gösterdiği büyük potansiyel nedeniyle, gerekse güçlü etkileşim gösteren malzemelerin ardında yatan temel bilim sayesinde büyük ilgi gören bir malzeme olmuştur. VO2'nin en çok dikkat çeken özelliklerinden bir tanesi, oda sıcaklığının hemen üstünde gösterdiği metal-yalıtkan faz geçişidir (MYG). Bu tarz bir faz geçişinin dış uyaranlar aracılığıyla kontrol altına alınmasıyla, daha önce görülmemiş bir şekilde pek çok elektronik ve optik uygulamanın kapısı aralanacaktır. Bununla birlikte, dış uyaranların kristalin üzerindeki etkisini baskılayan Thomas-Fermi perdeleme kalınlığının getirdiği sınırlamar nedeniyle, VO2 nanokristallerinin ince bir yapıda olmaları gerekmektedir. VO2 için bahsedilen perdeleme kalınlığının 6 nm'yi geçmediği bilinmektedir. Bu noktada, latis uyuşmazlığından kaynaklanan stres ve alttaşlar arası yaşanan difüzyon sebebiyle epitaksiyel filmlerin kullanılmasından, ayrıca çoklu-kristal yapısı sebebiyle püskürtme filmlerin kullanılmasından kaçınılmıştır. Bunun yerine, buhar-fazı yöntemiyle büyütülen VO2 nanokristalleri kullanılmıştır. Bu olayın ardında yatan nedenlerden biri, epitaksiyel filmerin aksine buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristalleri bulunduğu alttaştan kurtulabilmekte ve alttaşın kristaller üzerinde oluşturduğu stresi yok etmek amacıyla transfer edilebilmektedirler. Bu çalışmada detaylıca bahsedildiği gibi bu tür kristallerin ana eksikliği, fiziksel buhar biriktirme yönteminin kristal kalınlığını kontrol etmekteki yetersizliği sebebiyle buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristallerinin boyutlarının 30 nm'den aşağı inememeleridir.Bu çalışmada, buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristallerini aşındırarak kalınlıklarını sistematik bir şekilde 5 nm altına indirme yöntemi geliştirilmiştir. Bu hedefte ar-iyon aşındırması kullanılmıştır. Fotorezist koruması ve gölgeleme efekti metodlarının devreye girmesiyle, orta seviyede monatomik akı ve 1 keV'luk enerjiye sahip iyon tabancasıyla aşındırılan VO2 nanokristallerinin aşınma hızı 3.3±0.3 nm/dk olarak bulunmuştur. Bulunan sonuçlar göstermektedir ki aşındırılan kristaller üzerinde 5.6 nm'yi geçmeyecek şekilde ar-iyon bombardımanından kaynaklanan bir yüzey hasarı oluşmaktadır. Hasara uğrayan kristallerin %37'lik hidroklorik asit çözeltisi (HCL(aq)) içerisinde kısa süre bekletilmesiyle, yüzeyde oluşan hasar ve getirdiği elektriksel özelliklerdeki değişimler tamamen yok edilebilmektedir. Bu çalışmada sunulan sonuçlar aşındırılan kristallerin evvelki halleriyle karşılaştırıldığında, MYG esnasında aynı derecede değişim gösterdiklerini işaret etmektedir.Burada sunulan çalışmanın son kısmı ise, buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristallerini aşındırma yöntemlerini inceleyerek ulaşılabilecek yeni uygulamalara adanmıştır. Temel olarak, Mott alan-etkisi transistörünün (Mott AET) üretiminde VO2 kristallerinin oynayabileceği rol üzerine incelemeler yapılmıştır. Konu hakkında kesin bir yargıya varmak üzere şüphesiz daha fazla araştırma yapılmasına ihtiyaç vardır. Ancak, bu çalışmada sunulan sonuçlar ve bununla birlikte buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristali kullanılarak üretilebilecek üç terminalli aygıtlar hakkında verilen tavsiyeler, gelecekteki çalışmaları şekillendirmede önemli bir rol oynayacaklardır.Anahtar Kelimeler: vanadyum dioksit, güçlü etkileşimli malzemeler, metal-yalıtkan faz geçişi, argon iyon demeti aşındırması

Vanadium dioxide (VO2) is a material that has attracted a lot of attention for its prospective potential to be utilized in the field of electrical and ultrafast optical switching in one hand, and for the fundamental physics that can be revealed through studying this strongly correlated material on the other hand. One of the most attractive qualities of VO2 is the metal-insulator transition (MIT) which takes place slightly above room temperature in this material. Controlling such phase transition through external stimuli would open unprecedented avenues of electrical and optical applications. However, thin VO2 nanocrystal are required to overcome the limitation imposed thought the Thomas-Fermi screening length which limits the changes and the control that external electrical stimuli would have on any crystal that exceeds this length. The screening length in VO2 is known to be no more than 6 nm. Here, we avoided the use of epitaxial and sputtered films for the complications in such materials that arise from the stress due to lattice mismatch and the interdiffusion with substrates in epitaxial films, and the polycrystalline nature of sputtered films. In this work, vapor-phase grown VO2 nanocrystals are used instead. One reason behind this is that unlike epitaxial films vapor-phase grown VO2 nanocrystals can be released out of the growth substrate and transferred in order to eliminate the stress induced on the crystals due to adhesion to the substrate. The main shortcoming of this type of crystals, which is addressed thoroughly in this study, is that vapor-phase grown VO2 nanocrystals are produced with dimensions no less than 30 nm due to the lack of thickness control in physical vapor deposition technique. Mainly in this study, a systematic method to mill down vapor-phase grown VO2 nanocrystals to sub-5 nm thicknesses is developed. Ar-ion milling is utilized to achieve this goal. Photoresist protection and shadowing methods are introduced and used to reveal the etch rate of VO2 nanocrystals which is found to be equal to 3.3 $/pm 0.3$ nm/min using ion-gun energy of 1 KeV with medium monatomic flux. Our results show some surface damage caused by the Ar-ions bombardment that is limited maximum to the top 5.6 nm of the surface of the etched crystals. This damage and related changes in the electrical properties in the milled crystals are completely eliminated by short duration treatment in a 37/% hydrochloric acid (HCl(aq)) solution of these crystals. The results presented here in this regards show complete recovery of the relative order of changing in resistance that accompanies the MIT of treated etched crystals when compared to their pristine form. The last part of this study is dedicated to the investigation of implementing mill down vapor-phase grown VO2 nanocrystals in possible prospective applications. Mainly, the use of these crystals in constructing Mott-Field Effect Transistors (Mott-FETs) is investigated. Further investigations are yet to be done in this regards in order to draw a final conclusion in the possibility of using VO2 nanocrystals in reliable Mott-FETs. However, the results presented here along with the suggestions related to the fabrication of vapor-phase grown VO2 nanocrystals based three-terminal devices are of a vital importance in setting directions for future works.Keywords: Vanadium dioxide, strongly correlated materials, metal-insulator transition, argon-ion beam milling