氧化釩等具有與傳統半導體材料不同的構造機制，作為一種能夠實現顯著導電性開關切換的材料，有望在未來硅半導體微細化達到極限後，作為奈米級材料應用。然而，這類氧化物材料的超薄膜化技術此前一直被認為僅能在具有相同晶體結構的特殊且昂貴的材料上實現，因此很難將其拓展至一般用途。
大阪大學產業科學研究所的博士生餘博源、田中秀和教授，物質與材料研究機構的渡邊賢司博士、谷口尚博士等人組成的研究團隊，全球首次在六方氮化硼（hBN）二維材料上，利用脈衝雷射沉積法成功地使二氧化釩（VO₂）薄膜晶體成長，並證實即使將薄膜厚度降低至約10奈米形成超薄膜，其性能依然保持穩定，展現出了良好的開關特性。由此實現了氧化物量子材料的自由奈米尺度化，憑藉其可任意貼附的柔性特性，未來有望簡化傳感器及器件的製造流程等，在半導體產業中開拓新的應用領域。相關研究成果已發表在《Applied Physics Express》上。
柔性二維材料上的超薄量子氧化物薄膜示意圖（供圖：大阪大學）
此次，由物質與材料研究機構的研究團隊提供的六方氮化硼（hBN），是與可剝離為單原子層的「石墨烯」同屬具有六方晶格結構的二維材料。其原子級平坦的片狀表面僅存在著一種被稱為凡得瓦力的極微弱相互作用力，具有極其柔軟的表面特性。
這與在陶瓷材料中經常使用的氧化物材料所具有的強共價鍵或離子鍵特性截然不同。研究團隊推測，在這種柔性hBN表面上，即使結合不同材料也不會產生應力畸變，界面應力可自然釋放，從而實現氧化物材料的穩定生長。
研究團隊使用脈衝雷射沉積法制備了不同厚度的薄膜並評估其開關特性後發現，即使將厚度減薄，其性能仍無劣化，成功實現了厚度減至10奈米仍保持優異性能的VO₂超薄膜生長。雖然在材料科學領域，柔性有機材料的層狀結構已廣為人知，但此次研究實現了在柔性二維材料上直接生長堅硬的無機強關聯量子材料，這一突破有望開拓全新的界面物理現象。
田中教授表示：「我們期待通過組合不同化學性質的材料，提高材料設計的自由度，從而創造前所未有的新功能。即使是同類無機材料的組合，過強的結合作用也會限制材料的結合。而二維材料的結合力非常弱，幾乎沒有相輔作用。我們認為利用這一特性，在晶體結構不同的條件下也能使晶體成長，於是就開始了本次研究。今後，我們希望繼續解析未知的界面現象，探索量子功能氧化物材料和二維材料相結合所衍生的全新性質。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Applied Physics Express
論文：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
