VO₂의 절연체-금속 전이 기작 이해를 위한 표면 전위 및 일함수 측정 연구

Abstract

VO2 has been one of the most interesting materials among correlated electron systems for decades, since it exhibits metal-insulator transition (MIT) and monoclinic-to-tetragonal structural transition (SPT) at around room temperature, i.e., 340 K. The transition mechanism is still under debate, and various in-depth investigations are still highly required. In this study, we have carried out KPFM (Kelvin probe force microscopy) measurements and analyses to understand the MIT mechanism of VO2. KPFM enables us to measure local work function of a sample with high spatial resolution. We used a home-made sample holder for the SPM (scanning probe microscopy) measurements, which allows us to obtain currentvoltage characteristics as well as KPFM images while varying the sample temperature. We found that the work function of the VO2 thin film was abruptly dropped from 4.88 eV to 4.70 eV at the MIT temperature. This indicated that the electronic structure underwent drastic change, and the work function difference was similar to the thermal activation energy of the resistivity. Under an external bias voltage, the region with larger (smaller) slope in the surface potential had larger (smaller) work function. This indicated that the local work function well represented the resistance state of the corresponding region. The evolution of the work function spanning MIT showed several distinctive behaviors compared with the resistivity of the identical sample. In the multi-domain thin films, the resistance is dominantly affected by the connectivity of the metallic domains according to the percolation model. The work function, however, is mainly determined by the electronic structure. Therefore, the work function measurements and analyses in VO2 should play crucial roles in unveiling its MIT mechanism.;VO2 는 상온 근처, 340K에서 금속-절연체 전이(metal-insullator transition, MIT)가 일어나며, 그와 더불어 단사구조(monoclinic structure)가 정방구조(tetragonal structure)로 바뀌는 구조전이(Structure Phase Transition, SPT)를 겪는 성질 때문에, 수십년간 상관작용전자계(correlated electron systems)에서 흥미로운 물질 중 하나로 여겨져 왔다. 하지만, 아직까지도 MIT와 SPT의 정확한 원인에 대해서 의견이 분분한 상태이기 때문에 그 기작의 이해를 위하여 심도 깊은 연구가 요구되는 실정이다. 본 연구에서는 VO2 의 MIT 기작 이해를 위하여 KPFM(Kelvin probe force microscopy) 측정과 분석을 수행하였다. KPFM은 시료의 국소적인 표면 일함수를 높은 공간분해능을 가지고 측정하게 해준다. 본 실험에서는 SPM(scanning probe microscopy)의 시료홀더를 제작하여, 온도를 변화시켜가면서 KPFM 실험과 전류-전압 특성을 동시에 수행할 수 있게 하였다. KPFM 실험을 통하여 VO2 박막의 일함수는 MIT 과정에서 4.88eV에서 4.70eV로 감소하는 것을 관찰하였다. 이는 전자구조 변화가 일어남을 의미하는 것인데, 일함수 차이는 비저항의 열적 활성 에너지(thermal activation energy)와 유사한 값이었다. 또한 외부 인가 전압하에서의 표면 전위 프로파일의 기울기가 큰(작은) 부분이 일함수가 큰(작은) 것을 확인하여,일함수가 국소영역의 저항상태를 잘 반영한다는 것을 확인할 수 있었다. MIT 과정의 일함수 변화는 저항 변화 추이로부터 유추할 수 없었던 몇 가지 사실을 보여 주었는데, 이는 저항의경우 다구역(multi-domain) 박막에서 금속성 구역의 연결 여부에 따른 스미기(percolation) 현상에 지배를 받기 때문에 직접 전자구조를 반영하는 일함수와는 차이가 있음을 보여준다.따라서, 일함수 측정과 분석을 통한 VO2 시료의 MIT 기작 이해는 매우 유용한 방법임을 알 수 있다.