https://pubs.acs.org/toc/ancac3/20/9

Abstract

절연체–금속 전이(insulator–metal transition, IMT)를 나타내는 상관 산화물(correlated oxides)의 상 엔지니어링은 전자 및 광전자 응용을 위한 프로그래머블 소자 기능을 구현할 수 있는 유망한 접근법이다. 그러나 강한 격자–전자 결합으로 인해 상관 산화물에서 요구에 따라 물성을 조절하기 위한 공간적으로 정밀하고 비휘발성인 상 제어는 여전히 어려운 과제로 남아 있다.

본 연구에서는 상관 산화물인 VO₂와 V₂O₃ 사이의 토포택틱(topotactic) 변환을 이용하여 정렬되고 확장 가능한 다상 도메인을 형성함으로써, 소자 내에서 상을 재구성하고 광열전 기능을 직접 구현하는 방법을 제시한다. 특히, 레이저 기반 변환은 대기 조건에서 리소그래피 공정 없이도 V₂O₃ 매트릭스 내부에 고해상도의 VO₂ 도메인을 형성할 수 있는 in situ 패터닝을 가능하게 한다.

구조 분석과 유한요소 해석 결과, VO₂/V₂O₃ 헤테로계면에서의 격자 불일치로 인해 유도된 변형된 단사정계 VO₂의 상 이질성, 에피택셜 배향, 그리고 격자 이방성이 확인되었다. 온도 의존 라만 분광 분석을 통해 레이저 패터닝된 VO₂ 도메인에서 열에 의해 유도되는 가역적인 IMT가 검증되었다.

공간 분해 광전류 매핑 결과, 레이저로 형성된 VO₂ 도메인에서만 나타나고 본래의 V₂O₃에서는 존재하지 않는 새로운 광열전 응답이 관찰되었으며, 그 극성과 크기는 제벡(Seebeck) 메커니즘과 일치하였다.

본 연구는 상관 산화물에서 상 선택적 엔지니어링을 위한 확장 가능하고 프로그래머블한 전략을 제시하며, 공간 분해 에너지 변환 및 재구성 가능한 광전자 소자 응용에 대한 잠재력을 제공한다.