氧化钒等具有与传统半导体材料不同的构造机制，作为一种能够实现显著导电性开关切换的材料，有望在未来硅半导体微细化达到极限后，作为纳米级材料应用。然而，这类氧化物材料的超薄膜化技术此前一直被认为仅能在具有相同晶体结构的特殊且昂贵的材料上实现，因此很难将其拓展至一般用途。
大阪大学产业科学研究所的博士生余博源、田中秀和教授，物质与材料研究机构的渡边贤司博士、谷口尚博士等人组成的研究团队，全球首次在六方氮化硼（hBN）二维材料上，利用脉冲激光沉积法成功地使二氧化钒（VO₂）薄膜晶体生长，并证实即使将薄膜厚度降低至约10纳米形成超薄膜，其性能依然保持稳定，展现出了良好的开关特性。由此实现了氧化物量子材料的自由纳米尺度化，凭借其可任意贴附的柔性特性，未来有望简化传感器及器件的制造流程等，在半导体产业中开拓新的应用领域。相关研究成果已发表在《Applied Physics Express》上。
柔性二维材料上的超薄量子氧化物薄膜示意图（供图：大阪大学）
此次，由物质与材料研究机构的研究团队提供的六方氮化硼（hBN），是与可剥离为单原子层的“石墨烯”同属具有六方晶格结构的二维材料。其原子级平坦的片状表面仅存在着一种被称为范德华力的极微弱相互作用力，具有极其柔软的表面特性。
这与在陶瓷材料中经常使用的氧化物材料所具有的强共价键或离子键特性截然不同。研究团队推测，在这种柔性hBN表面上，即使结合不同材料也不会产生应力畸变，界面应力可自然释放，从而实现氧化物材料的稳定生长。
研究团队使用脉冲激光沉积法制备了不同厚度的薄膜并评估其开关特性后发现，即使将厚度减薄，其性能仍无劣化，成功实现了厚度减至10纳米仍保持优异性能的VO₂超薄膜生长。虽然在材料科学领域，柔性有机材料的层状结构已广为人知，但此次研究实现了在柔性二维材料上直接生长坚硬的无机强关联量子材料，这一突破有望开拓全新的界面物理现象。
田中教授表示：“我们期待通过组合不同化学性质的材料，提高材料设计的自由度，从而创造前所未有的新功能。即使是同类无机材料的组合，过强的结合作用也会限制材料的结合。而二维材料的结合力非常弱，几乎没有相互作用。我们认为利用这一特性，在晶体结构不同的条件下也能使晶体生长，于是就开始了本次研究。今后，我们希望继续解析未知的界面现象，探索量子功能氧化物材料和二维材料相结合所衍生的全新性质。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Applied Physics Express
论文：Strain-free thin film growth of vanadium dioxide deposited on 2D atomic layered material of hexagonal boron nitride investigated by their thickness dependence of insulator–metal transition behavior
DOI：10.35848/1882-0786/adaf09
