Investigation of the effects of thickness on the metal-insulator transition in vanadium dioxide nanocrystals, and development of a novel vanadium dioxide Mott field-effect transistor

Vanadyum dioksit (VO2), gerek elektronik ve ultrahızlı optik geçiş uygulamalarında gösterdiği büyük potansiyel nedeniyle, gerekse güçlü etkileşim gösteren malzemelerin ardında yatan temel bilim sayesinde büyük ilgi gören bir malzeme olmuştur. VO2'nin en çok dikkat çeken özelliklerinden bir tanesi, oda sıcaklığının hemen üstünde gösterdiği metal-yalıtkan faz geçişidir (MYG). Bu tarz bir faz geçişinin dış uyaranlar aracılığıyla kontrol altına alınmasıyla, daha önce görülmemiş bir şekilde pek çok elektronik ve optik uygulamanın kapısı aralanacaktır. Bununla birlikte, dış uyaranların kristalin üzerindeki etkisini baskılayan Thomas-Fermi perdeleme kalınlığının getirdiği sınırlamar nedeniyle, VO2 nanokristallerinin ince bir yapıda olmaları gerekmektedir. VO2 için bahsedilen perdeleme kalınlığının 6 nm'yi geçmediği bilinmektedir. Bu noktada, latis uyuşmazlığından kaynaklanan stres ve alttaşlar arası yaşanan difüzyon sebebiyle epitaksiyel filmlerin kullanılmasından, ayrıca çoklu-kristal yapısı sebebiyle püskürtme filmlerin kullanılmasından kaçınılmıştır. Bunun yerine, buhar-fazı yöntemiyle büyütülen VO2 nanokristalleri kullanılmıştır. Bu olayın ardında yatan nedenlerden biri, epitaksiyel filmerin aksine buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristalleri bulunduğu alttaştan kurtulabilmekte ve alttaşın kristaller üzerinde oluşturduğu stresi yok etmek amacıyla transfer edilebilmektedirler. Bu çalışmada detaylıca bahsedildiği gibi bu tür kristallerin ana eksikliği, fiziksel buhar biriktirme yönteminin kristal kalınlığını kontrol etmekteki yetersizliği sebebiyle buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristallerinin boyutlarının 30 nm'den aşağı inememeleridir. Bu çalışmada, buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristallerini aşındırarak kalınlıklarını sistematik bir şekilde 5 nm altına indirme yöntemi geliştirilmiştir. Bu hedefte ar-iyon aşındırması kullanılmıştır. Fotorezist koruması ve gölgeleme efekti metodlarının devreye girmesiyle, orta seviyede monatomik akı ve 1 keV'luk enerjiye sahip iyon tabancasıyla aşındırılan VO2 nanokristallerinin aşınma hızı 3.3±0.3 nm/dk olarak bulunmuştur. Bulunan sonuçlar göstermektedir ki aşındırılan kristaller üzerinde 5.6 nm'yi geçmeyecek şekilde ar-iyon bombardımanından kaynaklanan bir yüzey hasarı oluşmaktadır. Hasara uğrayan kristallerin %37'lik hidroklorik asit çözeltisi (HCL(aq)) içerisinde kısa süre bekletilmesiyle, yüzeyde oluşan hasar ve getirdiği elektriksel özelliklerdeki değişimler tamamen yok edilebilmektedir. Bu çalışmada sunulan sonuçlar aşındırılan kristallerin evvelki halleriyle karşılaştırıldığında, MYG esnasında aynı derecede değişim gösterdiklerini işaret etmektedir. Burada sunulan çalışmanın son kısmı ise, buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristallerini aşındırma yöntemlerini inceleyerek ulaşılabilecek yeni uygulamalara adanmıştır. Temel olarak, Mott alan-etkisi transistörünün (Mott AET) üretiminde VO2 kristallerinin oynayabileceği rol üzerine incelemeler yapılmıştır. Konu hakkında kesin bir yargıya varmak üzere şüphesiz daha fazla araştırma yapılmasına ihtiyaç vardır. Ancak, bu çalışmada sunulan sonuçlar ve bununla birlikte buhar-fazlı büyütülen VO2 nanokristali kullanılarak üretilebilecek üç terminalli aygıtlar hakkında verilen tavsiyeler, gelecekteki çalışmaları şekillendirmede önemli bir rol oynayacaklardır. Anahtar Kelimeler: vanadyum dioksit, güçlü etkileşimli malzemeler, metal-yalıtkan faz geçişi, argon iyon demeti aşındırması