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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Modeling and application of phase transition VO2 devices for high speed modulation of Terahertz wave

Research Project

Project/Area Number 21K04868
Research InstitutionTokai University

Principal Investigator

沖村 邦雄  東海大学, 工学部, 教授 (00194473)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中西 俊博  京都大学, 工学研究科, 講師 (30362461)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords相転移VO2素子 / 絶縁体-金属転移 / 電圧印加スイッチング / 自発発振現象 / ヒステリシス幅 / テラヘルツ波の透過偏光制御 / メタマテリアル / 協調発振現象
Outline of Annual Research Achievements

本研究は68℃付近で絶縁体-金属転移(Insulator-metal transition: IMT)を示す二酸化バナジウム(VO2)薄膜をパターニングしたメタ表面を用いてテラヘルツ波の透過偏光制御に繋がる基礎研究として実施するものである。3年間の研究実施期間において、パターニング電極を持つVO2薄膜の電圧印加スイッチング及び自励発振の実現を探索する。
研究初年度の2021年度は、スパッタ成膜したVO2薄膜に対して研究分担者がTi/Au電極を堆積し電極幅5000μm,電極間ギャップ10μmの対向電極を有するプレーナ型素子を作製し電気的特性を評価した。その結果11 V, 200 mAにおいて電圧印加スイッチングが発現したがジュール発熱が大きく自励発振に至らなかった。2年目の2022年度は導電性ITO上へVO2薄膜を堆積した積層型構造において2V, 30μA程度の低電圧、低電流でのスイッチングに基ずく発振を生成した。積層型での発振特性がプレーナー型での発振発現に繋がると期待した。
2023年度は、2021年度の結果を踏まえて改めて作製したプレーナ型素子を用いて発振実験に取り組んだ。VO2薄膜の膜厚を100 nm程度とより薄くして抵抗値を高めた結果、11V, 8 mAにおいて初の自励発振を観測した。この発振は電圧源として50Hz正弦波交流を発生するカーブトレーサ―を導入して観測でき、正弦波電圧により効率的に発振を実現できることが判明した。発振周波数は50 Hzに比べ2桁以上高い数K~数十KHzであるため、発振波形の電源電圧依存性を連続的にモニターできる大きな利点を有する。この実験方法の進展を基にプレーナー型構造の発振特性の電源電圧及び並列キャパシタンス依存性を詳細に調べ、2023年秋の日本表面真空学会、2024年春の応用物理学会で成果発表を行った。

Remarks

東海大学沖村研究室ホームページ

  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Flexible VO2 films grown on ZnO-nanorod buffered polyimide sheets with large insulator metal transition: Evaluation of flexible performance2024

    • Author(s)
      Yukito Ozawa, Rai Hiranabe, Shinpei Shimono, Qiuzhi Liu, and Kunio Okimura
    • Journal Title

      Journal of Vaccuum Science & Technology A

      Volume: 42 Pages: 033103_1 ~ 9

    • DOI

      10.1116/6.0003378

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Study on Relation Between Voltage-induced Switching Behavior and Self-sustained Electrical Oscillations in Vanadium Dioxide Thin Films2023

    • Author(s)
      Lamisa Hoque, Md. Suruz Mian, Kunio Okimura, and Toshihiro Nakanishi
    • Journal Title

      e-Journal of Surface Science and Nanotechnology

      Volume: 21 Pages: pp. 324 - 330

    • DOI

      10.1380/ejssnt.2023-042

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Modulation of insulator metal transition of VO2 films grown on Al2O3 (001) and TiO2 (001) substrates by the crystallization of capping Ge2Sb2Te5 layer,2023

    • Author(s)
      Takuto Ohnuki, Kunio Okimura, Reki Nakamoto, Yuji Muraoka, Joe Sakai and Masashi Kuwahara
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 134 Pages: 245302_1 ~ 9

    • DOI

      10.1063/5.0176810

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 対向電極を有するプレーナー型VO2素子の自励発振に関する研究 -発振周波数の回路パラメータ及び素子温度依存性-2024

    • Author(s)
      樹所純平、沖村邦雄、モハメッド シュルズミヤ、中西俊博
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Self-sustained electrical oscillations based on negative resistance switching of VO2 thin films grown on Al2O3 (001) with planer facing electrodes2023

    • Author(s)
      Junpei Kidokoro, Lamisa Hoque, Mian Md.Suruz, Kunio Okimura, and Toshihiro Nakanishi
    • Organizer
      International grand meeting, MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Self-sustained electrical oscillations of VO2-based planar devices and their coupled oscillation phenomena2023

    • Author(s)
      Junpei Kidokoro, Kunio Okimura, Suruz Md Mian, Lamisa Hoque, and Toshihiro Nakanishi
    • Organizer
      日本表面真空学会学術講演会 JVSS2023
  • [Presentation] Emerging technologies utilizing vanadium dioxide films with insulator metal transition  - Smart windows for energy savings and self-sustained electrical oscillations -2023

    • Author(s)
      Kunio Okimura
    • Organizer
      日本表面真空学会学術講演会 JVSS2023
    • Invited
  • [Remarks]

    • URL

      https://www.ei.u-tokai.ac.jp/Okimura-lab/

URL: 

Published: 2024-12-25  

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