Construction of 3 dimensional oxide nanostructures for nanoscale electronic phase change device

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H01054
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 田中 秀和 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (80294130)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 三次元ナノ構造 / 機能性酸化物 / ナノエレクトロニクス / 電子相転移 / 強相関電子系

Outline of Annual Research Achievements

電子相変化(金属―絶縁体相転移)を発現する機能性酸化物を対象とし、トップダウン・ボトムアップナノプロセス融合によりサブ10nmスケールの三次元ナノ構造 を構築し、相転移の始まり（スケーリングリミットの限界）とみられる10nm-数nm程度の極小の相転移単位（ナノ電子相）の物性計測を行う。ナノ電子相形成過程を人工ナノ構造により直接制御することにより、連続体物質とは異なる電子相変化(相転移)を見出すとともに、ナノ構造サイズ・形状と巨大物性応 答・新物性発現の相関を明らかにする。これに基づき、酸化物ナノエレクトロニクスにおけるイノベーションを創出し、酸化物ナノエレクトロニクスデバイス国 際ネットワーク構築を推進することを目的としている。 本年度は、●20nm幅のナノギャップ電極を有する酸化バナジウム（ＶＯ２）薄膜２端子デバイスを作製し、非常に急峻な（わずか0.01Kで相転移が完了する）相転 移スイッチングの観測に成功した。●加えて、FET動作において電界集中を実現する凸型チャネルを有するナノスケール（200nmチャネル長）VO2-構造の形成に成功した。●非常に薄くても良好な誘電性・絶縁性を示す２次元原子層物質であ る六方晶窒化ボロン（ｈＢＮ）とＶＯ２を融合した電界効果トランジスタの作製に成功し変調率１．２％を観測した。●ＶＯ２に加え、新たな電子相変化材料と して注目されるＳｍＮiO3をチャネル層としたイオン液体電界効果トランジスタを作製した。●ファンデアワールス結合を有する六方晶窒化ボロン上への、VO2薄膜の形成に成功し、良好な金属-絶縁体相転移を観測した。
●新たな電子相変化材料と して注目されるＳｍＮiO3をチャネル層としたイオン液体電界効果トランジスタを作製し、加えてNidNiO3ナノ細線構造において、50nm程度と推測されるナノ電子相の電気抵抗評価による検出に成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

各種FET構造（凸型、ハイブリッドゲート、ナノギャップ）の作成に成功しており、現在酸化物チャネルサイズは100 nmスケールに達している。さらにサケールダウンを行うことにより性能向上が見込まれる。

Strategy for Future Research Activity

３端デバイス（ＦＥＴ）におい ては、今年度、上述の各種材料を用いて動作検証に成功したことを受け、一層のナノ構造化に取り組む。加えて透過型電子顕微鏡を用いた原子レベル界面観察に 取組み、その制御の学理構築に取り組む

Research Products

• [Int'l Joint Research] Purdue University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Purdue University
• [Journal Article] Growth of vanadium dioxide thin films on hexagonal boron nitride flakes as transferrable substrates (2019)
  • Author(s): S. Genchi, M. Yamamoto, K. Shigematsu, S. Aritomi, R. Nouchi, T. Kanki, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Murakami and H. Tanaka
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 9 Pages: 02857(1-9)
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-39091-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-step metal-insulator transition in thin film-based vanadium dioxide nanowires with a 20 nm electrode gap (2019)
  • Author(s): Y. Tsuji, T. Kanki, Y. Murakami and H. Tanaka
  • Journal Title: Appl. Phys. Exp. Volume: 12 Pages: 025003(1-4)
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1882-0786/aafa9e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation between Ni Valence and Resistance Modulation on a SmNiO3 Chemical Transistor (2019)
  • Author(s): D. Kawamoto, A. N. Hattori, M. Yamamoto, X. L. Tan, K. Hattori, H. Daimon, and H. Tanaka
  • Journal Title: ACS Appl. Electron. Mater. 1 (2019) 82-87 Volume: 1 Pages: 82-87
  • DOI: DOI: 10.1021/acsaelm.8b00028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gate-Tunable Thermal Metal-Insulator Transition in VO2 Monolithically Integrated into a WSe2 Field-Effect Transistors (2019)
  • Author(s): M. Yamamoto, R. Nouch, T. Kanki, A. N. Hattori, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Ueno and H. Tanaka
  • Journal Title: ACS Appl. Mater. and Inter. Volume: 11 Pages: 3224-323-(1-9)
  • DOI: DOI: 10.1021/acsami.8b18745
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of the electric double layer transistor with (La,Pr,Ca)MnO3 nanowall wire channel (2018)
  • Author(s): A.N. Hattori, H.Nakazawa, T.Nakamura and H.Tanaka
  • Journal Title: Mod. Phys. Lett. B. Volume: 32 Pages: 1840058 (1-7)
  • DOI: https://doi.org/10.1142/S0217984918400584
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Morphology of phase-separated VO2 films deposited on TiO2(001) substrate (2018)
  • Author(s): Y. Cho, S. Aritomi, T. Kanki, K. Kinoshita, N. Endo, Y. Kondo, D. Shindo, H. Tanaka, Y. Murakami
  • Journal Title: Mater. Res. Bull. 102 Volume: 102 Pages: 289-293
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2018.02.030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of single-crystal VO2 thin films on MgO(110) substrates using ultrathin TiO2 buffer layers (2018)
  • Author(s): Y. Higuchi, T. Kanki, and H. Tanaka
  • Journal Title: Appl. Phys. Exp. Volume: 11 Pages: 085503 (1-4)
  • DOI: https://doi.org/10.7567/APEX.11.085503
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancement of electronic-transport switching in single-crystal narrower VO2 nanowire channels through side-gate electric fields (2018)
  • Author(s): M. Chikanari, T. Kanki, T. Wei and H. Tanaka
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 113 Pages: 053102 (1-5)
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5042674
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strongly correlated perovskite lithium ion shuttles (2018)
  • Author(s): Y. Sun, M. Kotiuga, D. Lim, B. Narayanan, M. Cherukara, Z. Zhang, Y. Dong, R. Kou, C.-J. Sun, Q. Lu, I. Waluyo, A. Hunt, H. Tanaka, A. N. Hattori, S. Gamage, Y. Abate, V. G. Pol, H. Zhou, S. K. R. S. Sankaranarayanan, B. Yildiz, K. M. Rabe and S. Ramanathan
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115 (2018) 9672-9677 Volume: 115 Pages: 9672-9677
  • DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1805029115
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Beyond electrostatic modification: design and discovery of functional oxide phases via ionic-electronic doping (2018)
  • Author(s): H.-T. Zhang, Z.Zhang, H. Zhou, H. Tanaka, D. D. Fong and S. Ramanathan
  • Journal Title: Adv. Phys. X Volume: 4 Pages: 1523686(1-42)
  • DOI: https://doi.org/10.1080/23746149.2018.1523686
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] VO2: Applications of Electronic Phase Change Oxides -Current, Electrostatic, Electrochemical control- (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka
  • Organizer: 2018 Korean Physical Society, Spring Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] VO2: Applications of Electronic Phase Change Oxides (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka
  • Organizer: 2018 MRS Spring Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] VO2: Applications of Electronic Phase Change Oxides (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka
  • Organizer: ERTI seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Basic and Applications of Electronic Phase Change Oxides (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka, Mahito Yamamoto, Teruo Kanki, Azusa N. Hattori, Yuto Anzai
  • Organizer: 7th imec Handai International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 酸化物ナノ構造で変わり者電子を操る ~強相関電子デバイスの構築~ (2018)
  • Author(s): 田中 秀和
  • Organizer: 第3回極限ナノ造形・構造物性研究会 公開講演会
  • Invited
• [Presentation] 酸化物イオントロニクス (2018)
  • Author(s): 田中 秀和、Yifei Sun, Zhen Zhang, Koushik Ramadoss, Fan Zao, Shriram Ramanathan
  • Organizer: 「表面界面の機能創成とデバイス応用」セミナー
  • Invited
• [Presentation] イオントロニクスとPurdue滞在 (2018)
  • Author(s): 田中 秀和
  • Organizer: 土曜科学会
  • Invited
• [Presentation] Current activities on Nanotechnology at ISIR-Osaka University (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka
  • Organizer: Workshop on MICROACTUATORS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transistors Based on 2D Semiconductors/Dielectrics Contacted with the Phase-Change Oxides (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka
  • Organizer: E-MRS-J-MRS Joint symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transistors Based on the Phase-Change Oxides Contacted with 2D Layered Materials (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka and Mahito Yamamoto
  • Organizer: The 30th Symposium on Phase Change Oriented Science (PCOS 2018)
  • Invited
• [Presentation] Strain driven high-efficiency electronic-phase switching in freestanding transition metal oxide nano/microstructures (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka1,2, Yoshiyuki Higuchi, Fumiya Enodo, Teruo Kanki , N. Manca, L. Pellegrino, D. Marre
  • Organizer: CSRN-Osaka Annual Workshop 2018
  • Invited
• [Presentation] Control of electrical properties on strongly correlated oxides via ionic-electronic coupling (2018)
  • Author(s): Hidekazu Tanaka, A.N. Hattori, T. Kanki, D. Kawamoto, K. Muraoka, K. Hattori, H. Daimon, S. Ramanathan
  • Organizer: The 8th Indo-Japan Seminar “Designing Emergent Materials”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 田中研究室Home page
  • URL: https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/bis/