With a collimated $CO_2$ laser beam, the bidirectional current switching was realized in a two-terminal electronic device based on a highly resistive vanadium dioxide($VO_2$) thin film. A $VO_2$ thin film was grown on a $Al_2O_3$ substrate by a pulsed laser deposition method. For the fabrication of a two-terminal electronic device, the $VO_2$ thin film was etched by an ion beam-assisted milling method, and the $VO_2$ device, of which $VO_2$ patch width and electrode separation were 50 and $100{\mu}m$, respectively, was fabricated through a photolithographic method. A bias voltage range for stable bidirectional current switching was found by using the current-voltage property of the device measured in a current-controlled mode. The transient responses of bidirectionally switched currents were analyzed when the laser was modulated at a variety of pulse widths and repetition rates. A switching contrast was measured as ~3333, and rising and falling times were measured as ~39 and ~21ms, respectively.
By incorporating a 966nm near infrared laser, we demonstrated bidirectional current triggering of between 0 and 10mA in a two-terminal planar device based on a highly resistive vanadium dioxide ($VO_2$) thin film grown by a pulsed laser deposition method. A two-terminal planar device, which had an electrode separation of $100{\mu}m$ and a $50{\mu}m-wide$$VO_2$ conducting layer, was fabricated through ion beam-assisted milling and photolithographic techniques. A bias voltage range for stable bidirectional current triggering was determined by investigating the current-voltage curves of the $VO_2-based$ device in a current-controlled mode. Bidirectional current triggering of up to 10mA was realized by directly illuminating the $VO_2$ film with a focused infrared laser beam, and the transient responses of triggered currents were analyzed when the laser was modulated at various pulse widths and repetition rates. A switching contrast between off- and on-state currents was evaluated as ~3571, and the rising and falling times were measured as ~40 and ~20ms, respectively.
In this paper, I introduce a novel design method of a high performance nanophotonic beam deflector providing broadband operation, large active tunability, and signal efficiency, simultaneously. By combining thermo-optically tunable vanadium dioxide nano-ridges and a metallic mirror, reconfigurable local optical phase of reflected diffraction beams can be engineered in a desired manner over broad bandwidth. The active metagrating deflectors are systematically designed for tunable deflection of reflection beams according to the thermal phase-change of vanadium dioxide nano-ridges. Moreover, by multiplexing the phase-change supercells, a robust design of actively tunable beam splitter is also verified numerically. It is expected that the proposed intuitive and simple design method would contribute to development of next-generation optical interconnects and spatial light modulators with high performances. The author also envisions that this study would be fruitful for modern holographic displays and three-dimensional depth sensing technologies.
본 연구에서는 열-변색 소재로 잘 알려진 이산화바나듐($VO_2$) 분말을 $V_2O_5$ 분말과 옥살산 수화물로부터 여러 조건에서 수열합성과 하소공정을 통하여 제조하였다. 제조된 시료들의 화학적 구조, 결정구조 및 열적 특성들은 FE-SEM, XRD, XPS 및 DSC를 이용하여 분석하였다. 또한, 필름 시편들의 분광학적 및 열변색 특성은 제조된 분말 시료들을 볼밀링하여 50 nm 이하로 분산시켜 제조된 졸로부터 박막필름을 제작하여 UV-Vis-NIR 분광기를 이용하여 분석하였다. $VO_2$ 시료의 하소처리 온도를 증가시키면, 입자들의 크기가 증가함에 따라 시료의 상전이온도가 약 $40^{\circ}C$에서 $70^{\circ}C$로 증가하는 경향을 나타내었다.
While most switching devices are based on PN junctions, a single layer can realize a switching device in the case of vanadium dioxide($VO_2$) thin films. In this paper, bidirectional current triggering(switching) is demonstrated in a two-terminal planar device based on a $VO_2$ thin film by illuminating the film with an infrared laser at 1550nm. To begin with, a two-terminal planar device, which had a $30{\mu}m$-wide $VO_2$ conducting layer and an electrode separation of $10{\mu}m$, was fabricated. A specific bias voltage range for stable bidirectional laser triggering was experimentally obtained by measuring the current-voltage characteristics of the fabricated device in a current-controlled mode. Then, by constructing a test circuit composed of the device, a standard resistor, and a DC voltage source, connected in series, the transient response of laser-triggered current and its response time were investigated with a DC bias voltage, included in the above specific bias voltage range, applied to the device. In the test circuit with a DC voltage source of 3.35V and a $10{\Omega}$ resistor, bidirectional laser triggering could be realized with a maximum on-state current of 15mA and a switching contrast of ~78.95.
금속 산화물/그래핀 형태의 복합 나노소재는 높은 전기용량을 갖는 2차 전지의 전극용 소재 또는 고감도 가스 센서의 감지물질 등으로 활용되는 매우 유용한 기능성 소재이다. 본 논문에서는 열 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 Cu Foil 위에 대면적으로 합성된 CVD 그래핀 및 고정렬 열분해 흑연(HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite)으로부터 기계적으로 박리된 그래핀 기판 위에 이산화바나듐($VO_2$) 나노구조물을 기상수송방법으로 직접 성장시키는 연구를 수행하였다. 연구결과 CVD 그래핀 기판의 경우, 그래핀 결정 경계에서 상대적으로 많이 존재하는 기능기들이 $VO_2$ 나노구조물에서 핵형성의 씨앗으로 작용하는 것이 확인되었다. 반면에 HOPG에서 기계적으로 박리된 그래핀 나노시트 표면에는 기능기가 균일하게 분포하기 때문에, 2차원과 3차원 형태로 $VO_2$ 나노구조물이 성장되었다. 이러한 연구결과는 고기능성 $VO_2$/그래핀 나노복합소재를 이용하여 높은 전기용량을 갖는 2차 전지 전극소재 및 고감도 가스 센서의 감지물질 합성에 유용하게 활용될 것으로 전망된다.
In bio applications, high temperature coefficient of resistance (TCR) at $30^{\circ}C{\sim}40^{\circ}C$ is especially important for a temperature sensor. In this work, single phase-vanadium dioxide ($VO_2$) thin films for temperature sensor were fabricated by reactive DC magnetron sputtering and post-annealing method. VOx thin films deposited by reactive sputtering in a controlled $Ar/O_2$ atmosphere can be transformed into single phase-$VO_2$ films by post-annealing in $N_2$ atmosphere. The grown $VO_2$ thin films have a moderate resistance at room temperature and very high TCR at room temperature and transition temperature, respectively 2.88%/K and 15.8%/K. A detailed structural characterization is performed by SEM, XRD and RBS. SEM morphology image indicates that grains of fabricated $VO_2$films are homogeneous and ball-like in shape. A fact that the films contain only single phase-$VO_2$ is obtained by XRD and RBS analysis. After deposition, the sensors were fabricated by micromachining technology. Silicon nitride membrane and black nickel were used for a thermal isolation structure and absorption layer. In the vicinity of room temperature, the TCR of sensors was enough high to apply for bio sensors.
이산화바나듐은 섭씨 68도에서 금속-절연체 상전이 특성을 나타내는 써모크로믹(thermochromic) 소재로서, 상전이 현상이 일어날 때 광학적, 전기적 성질이 급격히 변화하며, 이러한 상전이 현상은 가역적인 특성을 가지고 있다. 이산화바나듐의 금속-절연체 상전이 현상을 응용하기 위하여 상전이 온도를 상온 부근으로 낮추고자하는 많은 시도들이 있었으며, 직경 100 nm의 1차원 나노구조를 갖는 이산화바나듐 나노와이어의 경우 $29^{\circ}C$ 근처에서 상전이 현상이 일어남이 보고되었다. 본 연구에서는 기상 수송 방법(vapor transport method)을 사용하여 1차원 또는 2차원 나노구조를 갖는 이산화바나듐을 성장시켰다. 특히 동일한 성장 조건에서도 기판에 따라 다른 형태로 이산화바나듐이 성장하는 것을 확인하였다. 즉 Si 기판($Si{\setminus}SiO_2$(300 nm) 위에서는 1차원 나노와이어 형태의 이산화바나듐이 성장하였고, 그래핀 나노시트 위에서 합성된 이산화바나듐은 2차원 또는 3차원 나노구조를 가지고 성장하였다. 바나듐 옥사이드 나노구조체의 성장에 사용된 Si 웨이퍼 위에 박리-전사된 그래핀 나노시트 기판과 thermal CVD 시스템으로 성장된 1D 또는 2D & 3D 나노 구조를 갖는 $VO_2$의 결정학적 특성을 Raman 분광학으로 분석하였다. Raman 분석결과 성장된 바나듐 옥사이드는 $VO_2$ 상을 갖는 것을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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