Institute of Industrial Science

酸化物ナノ細線における相転移現象

東京大学 生産技術研究所 助教
守谷 頼

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金属-絶縁体転移
金属
電気抵抗

電気抵抗

絶縁体

温度

温度

一つの物質でも金属から絶縁体になる材料がある
金属-絶縁体転移

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酸化バナジウム（VO2）絶縁体

金属

転移温度 = ~350 K

単斜晶

Resistance [ohm]

高抵抗
室温
低電界

正方晶
106105104103102101

SAMPLE 3047-12
Thickness = 800 amstrong
NO capping layer

低抵抗
高温
高電界

rising T
falling T

260

280

300

320

340

Temperature [K]

360

380

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ナノ構造における金属-絶縁体転移
薄膜

ナノ細線

金属

Insulator Metal
絶縁体

多数のドメインの生成とその拡大

単一のドメイン壁(Domain Wall)Institute of Industrial Science

ドメイン間の境界面＝Domain Wall

Domain Wall（ドメイン壁）

分極ドメインM

磁気分極(強磁性体)

P

電気分極（強誘電体）

e

自発歪（強弾性体）

相ドメイン
金属絶縁体

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ナノ細線における単一の金属-絶縁体DW
電極
絶縁体

金属

§ 単結晶ナノ細線の作製§ ナノ細線への単一DWの注入§ 電気伝導によるDWの観測

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Vapor Transfer Growthを利用した単結晶ナノ細線作製§ 純Arガス§ 2-50 sccm

チューブ炉

石英管

VO2ナノ細線

Ar
炉内の温度勾配

Guiton et al., J. Am. Chem. Soc. 127, 498 (2005)§ 1-5 Torr
ポンプ

Si基板

§ 中心温度900-1100oC§ 蒸着時間~ 1-5 hr

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石英管の内部の構造とナノ細線作製時の条件
Pressure (Torr)101§ 温度および真空度を変化させてナノ細線の作製条件を探索
à光学顕微鏡により試料観察

Ar flow (sccm)

Temp. (ºC)

1000
800
600400200086420050

100150 200 250 300 350

Time (min.)Institute of Industrial Science

ナノ細線の作製条件の最適化

1mm2領域内のナノ細線の本数束状に成長10本以上10本未満

600 µmInstitute of Industrial Science

高分解光学顕微鏡＋基板温度加熱機構§ 基板温度を変化させながら、光学顕微鏡で観測。

基板ヒーター（室温～300ºC）

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光学顕微鏡による金属-絶縁体転移の観測（歪あり）
50 ºC

絶縁体

606264707690

細線幅： 1.4 µm

50 µm68

金属§ Si基板からの歪を受けているàストライプドメイン構造による相転移

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光学顕微鏡を用いて相転移温度を見積もる(歪あり)Insulating fraction

48 ºC§ 基板上のナノ細線では、相転移は複数ドメインの生成とその拡大によるなだらかな変化を示す。

1.00.50.05662§ 基板からの影響を取り除いた吊り下げ構造の細線の作製が必要。
406080Temperature (ºC)

100110

長さ58 µm、幅1.0 µm

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Insulating fraction

光学顕微鏡を用いて相転移温度を見積もる(歪あり)1.058 µm long, 1.0 µm wide

§ なだらかな金属-絶縁体転移§ ヒステリシスを伴った相転移

0.50.04060

80Temperature (ºC)

多数ドメイン構造
à 基板からの歪
J. Wu et.al., Nano. Lett. 6, 2313 (2006)100

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ナノ細線における単一の金属-絶縁体DW電極
絶縁体金属§ 単結晶ナノ細線の作製§ ナノ細線への単一DWの注入§ 電気伝導によるDWの観測

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つり下げ構造をもつナノ細線の作製
電極
絶縁体

金属

VO2細線

SiO2Si20 µm電極をマスクとしてバッファードフッ酸処理
電極
絶縁体
Si

§ Au/Cr電極作製§ バッファードフッ酸処理

金属§ 超純水àIPAàHexaneàN2乾燥

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単一DW駆動による金属-絶縁体転移
電極

電極

絶縁体

金属

VO2細線

絶縁体

BHF 処理金属

SiO255 ºC

70

788693101

10 µmInsulator

細線幅： 400 nm▪ 単一DWの運動によるM-I転移
16MetalInstitute of Industrial Science

ナノ細線における単一の金属-絶縁体DW
電極
絶縁体

金属

§ 単結晶ナノ細線の作製§ ナノ細線への単一DWの注入§ 電気伝導によるDWの観測

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結果３： 電気伝導による金属-絶縁体転移の評価
7Resistance (ohm)10§ 4桁を超える抵抗変化を観測§ 基板からの歪の影響によるマルチドメインの生成

Current(mA) (ohm)Resistance

幅1.06 µm、長さ22 µm+0.1V

610510410310210
711010+0.1V

61.2
101.0
5100.84100.6+0.1V

3100.420.2
100.040

60

4060

80
100Temp.
80 (ºC) 100

Temp. (ºC)

120120Institute of Industrial Science

電気伝導による金属-絶縁体転移の検出（歪あり）
IR (M-ohm)

3VO2細線

2SiO2

1080

100120 140 160
Temperature (ºC)

180Institute of Industrial Science

電気伝導による金属-絶縁体転移の検出（歪なし）I
25

4桁の抵抗変化R (M-ohm)

20
1510506080

100 120 140
Temperature (ºC)

160

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電気伝導による金属-絶縁体転移の評価
幅400 µm
長さ10 µm

25R (M-ohm)

R (M-ohm)

2021080

4桁の抵抗変化

3151050100120 140 160
Temperature (ºC)

180

6080

100 120 140
Temperature (ºC)

160

▪ 抵抗測定によりDWの位置を数十nmの精度で検出できる

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酸化物ナノ細線における単一の金属-絶縁体境界面の運動と相転移
電極
絶縁体金属

§ 高品質な酸化バナジウム単結晶ナノ細線の作製§ 吊り下げ構造デバイスにおける単一ドメインの実現§ 抵抗測定による単一DWの運動の観測

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今後の展望
スマートウインドウなどの窓材への応用
温度が高いと温度が下がると

光

金属

絶縁体