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

太赫兹波高速调制相变VO2器件建模及应用

• 批准号: 21K04868
• 负责人: 沖村 邦雄
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Tokai University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04868/
• 关键词: 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; ポリイミド膜; テラヘルツ波; メタ表面; 偏光制御

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所属する京都大学においてTi/Au電極を堆積し、微細加工によって電極幅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、電極間の抵抗値が低くジュール発熱が大きいため自励発振には至らなかった。そこで、2年目の2022年度は導電層であるITO上へVO2薄膜を堆積したVO2/ITO積層膜へプローバー電極を接触させて垂直方向動作を試みた。その結果、2V, 30 μA程度の低電圧、低電流でスイッチングが生じ、適切な直列抵抗を接続したとき200 kHz以上の自励発振が発現した。また、VO2に並列キャパシタンスを接続することでより安定な発振が実現でき、発振周波数も幅広く制御できた。この成果を2022年9月に札幌で開催された国際真空会議(IVC22)において発表した。また、並行して2021年度の結果を踏まえて、VO2薄膜の膜厚を薄くして抵抗値を高めたプレーナー型構造を京都大学において作製したところ、スイッチング時の電流は10 mA程度に抑制され、その結果自励発振に至ることが判明した。2023年度はこのプレーナー型素子を用いて自励発振の測定を進めていく。研究の最終段階においてテラヘルツ波に対して本素子の適用を検討する。

This study は pay nearly 68 ℃ で never try body - metal planning to move (Insulator - metal transition: IMT) を す indicated two acidification バ ナ ジ ウ ム (VO2 thin film を パ タ ー ニ ン グ し た メ を タ surface with い て テ ラ ヘ ル ツ wave の through polarization suppression に 繋 が る basic research と し て be applied す る も の で あ る. 3 years の research be applied during に お い て, パ タ ー ニ ン グ electrode を hold つ VO2 thin film の electric 圧 Inca ス イ ッ チ ン グ and び self-excited vibration 発 の be を now explore す る. Research at the beginning of the annual の 2021 は, ス パ ッ タ film-forming し た VO2 thin film に し seaborne て research sharers が belongs す る Kyoto university に お い て Ti/Au electrode を accumulation し, micro machining に よ っ て electrode 5000 microns, The ギャップ10μm <s:1> opposite electrode を has the characteristics of するプレ ナ ナ type element を acting on <s:1> electricity を evaluation 価 た た た た た た そ の results 11 V, 200 mA に お い て electric 圧 Inca ス イ ッ チ ン グ が 発 now し た が, low numerical が の resistance between electrodes く ジ ュ ー ル 発 large heat が き い た め self-excited vibration 発 に は to ら な か っ た. そ こ で の 2022 year, 2 years は conductive layer で あ る on ITO へ VO2 thin film を accumulation し た VO2 / ITO laminated membrane へ プ ロ ー バ ー を electrode contact さ せ て vertical movement を try み た. そ の results, 2 v, 30 mu A low degree の electric 圧, low current で ス イ ッ チ ン グ が じ, appropriate な inline resistance を meet 続 し た と き above 200 kHz の self-excited vibration 発 が 発 now し た. ま た, VO2 に parallel キ ャ パ シ タ ン ス を meet 続 す る こ と で よ り settle な 発 vibration が be presently で き, 発 vibration frequency count も hiroo く suppression で き た. <s:1> results を September 2022 に Sapporo で された International Vacuum Conference (IVC22)にお て て schedule た た. ま た, parallel し て 2021 annual results の を tread ま え て, VO2 thin film の film thickness thin を く し て resistance high numerical を め た プ レ ー ナ ー type structure を Kyoto university に お い て cropping し た と こ ろ, ス イ ッ チ ン グ の current は 10 mA degree に inhibit さ れ, そ の results self-excited vibration 発 に to る こ と が.at し た. For the year 2023, the <s:1> <s:1> <s:1> プレ ナ ナ ナ type elements を were determined by <s:1> て self-excited vibration <s:1> to を enter めて く く. The study of the <s:1> final stage にお にお てテラヘ てテラヘ て the に of the <s:1> is applicable to を検 and する.

项目成果

導電性ITO上相転移VO2薄膜の電圧印加自励発振現象に関する研究 -電極用コンタクトプローブ圧の効果-

导电ITO顶层相变VO2薄膜的外加电压自激振荡现象研究-电极接触探针压力的影响-

• 发表时间: 2023
• 作者: ラミサ ホック;モハメッド シュルズミヤ;沖村邦雄;中西俊博
• 通讯作者: 中西俊博

ポリイミド膜上へのVO2薄膜成長と電気的特性評価

聚酰亚胺薄膜上VO2薄膜的生长及电特性评价

• 发表时间: 2021
• 作者: 沖村邦雄，宮武佑多;中西俊博;宮武佑多，沖村邦雄，中西俊博
• 通讯作者: 宮武佑多，沖村邦雄，中西俊博

ZnOナノロッドバッファ層導入によるpolyimide上VO2膜のIMT特性の改善

引入ZnO纳米棒缓冲层改善聚酰亚胺上VO2薄膜的IMT性能

• 发表时间: 2023
• 作者: 小澤雪斗;宮武佑多;沖村邦雄
• 通讯作者: 沖村邦雄

Dynamic inversion of planar-chiral response of terahertz metasurface based on critical transition of checkerboard structures

• DOI: 10.1515/nanoph-2021-0671
• 发表时间: 2022-01
• 期刊: Nanophotonics
• 影响因子: 7.5
• 作者: Y. Urade;Kai Fukawa;F. Miyamaru;K. Okimura;T. Nakanishi;Y. Nakata

Study on Relation Between Voltage-induced Switching Behavior and Self-sustained Electrical Oscillations in Vanadium Dioxide Thin Films

二氧化钒薄膜电压感应开关行为与自持电振荡关系的研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Lamisa Hoque;Md. Suruz Mian;Kunio Okimura;Toshihiro Nakanishi
• 通讯作者: Toshihiro Nakanishi