Электрические и оптические переключения в наноструктурах диоксида ванадия, декорированных наночастицами золота

В работе изучены электрические параметры фазового перехода полупроводник–металл в наноструктурах диоксида ванадия, синтезированных с помощью химического осаждения из газовой фазы на подложке кремния (100) и декорированных золотыми наночастицами с поверхностной концентрацией от 3∙10⁹ до 3∙10¹⁰ см^–2. Методом рентгенофазного анализа установлено, что синтезированные наноструктуры диоксида ванадия содержат моноклинную М1-фазу, испытывающую фазовый переход при температуре около 68 °С. При помощи сканирующего электронного микроскопа и атомно-силового микроскопа исследована морфология поверхности наноструктур диоксида ванадия, покрытых золотыми наночастицами. Определены характеристики температурного фазового перехода исходных наноструктур и наноструктур, декорированных наночастицами золота. Температурная зависимость сопротивления вблизи точки фазового перехода исходных наноструктур показала, что скачок сопротивлений составляет около четырех порядков по величине, что подтверждает их высокое качество. Показано, что увеличение поверхностной концентрации золотых частиц до значения 3∙10¹⁰ см^–2 увеличивает проводимость диоксида ванадия при комнатной температуре примерно в два раза, а температуру фазового перехода сдвигает на 5 °С: с 68 до 63 °С. Методами численного моделирования рассмотрены оптические переключения в диоксиде ванадия с массивом золотых частиц с размером 9 нм. Установлено, что отклик электромагнитной волны от материала VO₂ при фазовом переходе усиливается за счет возбуждения локализованного плазмонного резонанса в золотых наночастицах и достигает локального максимума в районе 600 нм. Дополнительно, данный эффект усиливается при углах падения в районе угла псевдо-Брюстера для диоксида ванадия. Рассмотренные гибридные наноструктуры VO₂–Au перспективны в качестве базовых наноэлементов для компьютеров нового поколения, а также для сверхбыстрых и высокочувствительных сенсоров.

1. Morin F. J. (1959) Oxides Which Show a Metal-to-Insulator Transition at the Neel Temperature. Phys Rev Lett 3:34–36. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.3.34

2. Stefanovich G., Pergament A., Stefanovich D. (2000) Electrical switching and Mott transition in VO2. J Phys Condens Matter 12:8837–8845. https://doi.org/10.1088/0953-8984/12/41/310

3. Becker M. F., Buckman A. B., Walser R. M., et al. (1994) Femtosecond laser excitation of the semiconductor‐metal phase transition in VO2. Appl Phys Lett 65:1507–1509. https://doi.org/10.1063/1.112974

4. Park J. H., Coy J. M., Kasirga T. S., et al. (2013) Measurement of a solid-state triple point at the metal–insulator transition in VO2. Nature 500:431–434. https://doi.org/10.1038/nature12425

5. Koo H., Yoon S., Kwon O.-J., et al. (2012) Effect of lattice misfit on the transition temperature of VO2 thin film. J Mater Sci 47:6397–6401. https://doi.org/10.1007/s10853-012-6565-1

6. Aetukuri N. B., Gray A. X., Drouard M., et al. (2013) Control of the metal–insulator transition in vanadium dioxide by modifying orbital occupancy. Nat Phys 9:661–666. https://doi.org/10.1038/nphys2733

7. Wan C., Zhang Z., Woolf D., et al. (2019) On the Optical Properties of Thin‐Film Vanadium Dioxide from the Visible to the Far Infrared. Ann Phys 531: https://doi.org/10.1002/andp.201900188

8. Mutilin S. V., Prinz V. Y., Seleznev V. A., Yakovkina L. V. (2018) Growth of ordered arrays of vertical free-standing VO2nanowires on nanoimprinted Si. Appl Phys Lett. https://doi.org/10.1063/1.5031075

9. Prinz V. Y., Mutilin S. V., Yakovkina L. V., et al. (2020) A new approach to the fabrication of VO2 nanoswitches with ultra-low energy consumption. Nanoscale 12:3443–3454. https://doi.org/10.1039/C9NR08712E

10. Yang Z., Ko C., Ramanathan S. (2011) Oxide Electronics Utilizing Ultrafast Metal-Insulator Transitions. Annu Rev Mater Res 41:337–367. https://doi.org/10.1146/annurevmatsci-062910-100347

11. Nakano M., Shibuya K., Ogawa N., et al (2013) Infrared-sensitive electrochromic device based on VO2. Appl Phys Lett 103:153503. https://doi.org/10.1063/1.4824621

12. Kats M. A., Blanchard R., Zhang S., et al. (2013) Vanadium Dioxide as a Natural Disordered Metamaterial: Perfect Thermal Emission and Large Broadband Negative Differential Thermal Emittance. Phys Rev X 3:041004. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.3.041004

13. Rios C., Hosseini P., Wright C. D., et al. (2014) On-Chip Photonic Memory Elements Employing Phase-Change Materials. Adv Mater 26:1372–1377. https://doi.org/10.1002/adma.201304476

14. Tan S. J., Campolongo M. J., Luo D., Cheng W. (2011) Building plasmonic nanostructures with DNA. Nat Nanotechnol 6:268–276. https://doi.org/10.1038/nnano.2011.49

15. Puntes V. F., Gorostiza P., Aruguete D. M., et al. (2004) Collective behaviour in twodimensional cobalt nanoparticle assemblies observed by magnetic force microscopy. Nat Mater 3:263–268. https://doi.org/10.1038/nmat1094

16. Hu M.-S., Chen H.-L., Shen C.-H., et al. (2006) Photosensitive gold-nanoparticle-embedded dielectric nanowires. Nat Mater 5:102–106. https://doi.org/10.1038/nmat1564

17. Xue Y., Yin S. (2022) Element doping: a marvelous strategy for pioneering the smart applications of VO 2. Nanoscale 14:11054–11097. https://doi.org/10.1039/D2NR01864K

18. Xu G., Huang C.-M., Tazawa M., et al. (2008) Electron injection assisted phase transition in a nano-Au-VO2 junction. Appl Phys Lett 93:061911. https://doi.org/10.1063/1.2972106

19. Rashidi A., Pulford M., Hatef A. (2022) Photo-thermal-induced response of VO2@Au@Auseeds nanovesicle: A highly efficient NIR tunable nanoscatterer. Int J Therm Sci 176:107527. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107527

20. Liang J., Yu L., Wang Y., et al. (2022) Periodic Arrays of 3D AuNP‐Capped VO 2 Shells and Their Temperature‐Tunable SERS Performance. Adv Opt Mater 10:. https://doi.org/10.1002/adom.202102615

21. Ferrara D. W., Nag J., MacQuarrie E. R., et al. (2013) Plasmonic Probe of the Semiconductor to Metal Phase Transition in Vanadium Dioxide. Nano Lett 13:4169–4175. https://doi.org/10.1021/nl401823r

22. Maaza M., Nemraoui O., Sella C., Beye A. C. (2005) Surface Plasmon Resonance Tunability in Au−VO2 Thermochromic Nano-composites. Gold Bull 38:100–106. https://doi.org/10.1007/ BF03215243

23. Xu G., Chen Y., Tazawa M., Jin P. (2006) Surface Plasmon Resonance of Silver Nanoparticles on Vanadium Dioxide. J Phys Chem B 110:2051–2056. https://doi.org/10.1021/jp055744j

24. Xu G., Huang C.-M., Tazawa M., et al. (2009) Tunable optical properties of nano-Au on vanadium dioxide. Opt Commun 282:896–902. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2008.11.045

25. Yakovkina L. V., Mutilin S. V., Prinz V. Y., et al. (2017) MOCVD growth and characterization of vanadium dioxide films. J Mater Sci 52:4061–4069. https://doi.org/10.1007/s10853-016-0669-y

26. Tompkins H. G., Irene E. A. (2005) Handbook of Ellipsometry. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg

27. Hormoz S., Ramanathan S. (2010) Limits on vanadium oxide Mott metal–insulator transition field-effect transistors. Solid State Electron 54:654–659. https://doi.org/10.1016/j.sse.2010.01.006

28. Lüth H. (2015) Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films. Springer International Publishing, Cham

29. Zylbersztejn A., Mott N. F. (1975) Metal-insulator transition in vanadium dioxide. Phys Rev B 11:4383–4395. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.11.4383

30. Khan G. R., Ahmad B. (2017) Effect of quantum confinement on thermoelectric properties of vanadium dioxide nanofilms. Appl Phys A 123:795. https://doi.org/10.1007/s00339-017-1363-x

31. Wang L., Shao Z., Li Q., et al. (2022) Dynamic Modulation of Phase Transition by External Strain Engineering in Quasi‐van der Waals Epitaxial VO 2 Films on Fluorophlogopite. Adv Mater Interfaces 9:. https://doi.org/10.1002/admi.202200864

32. Wu J., Tong L., Wang H., et al. (2022) Regulation of phase transition temperature and preparation for doping-VO2 smart thermal control films. J Appl Phys 131:. https://doi.org/10.1063/5.0054066

33. Fu Y., Song Z., Jiang M., et al. (2022) Plasmonic Hot-Electron Injection Driving Ultrafast Phase Transition in Self-Supported VO2 Films for All-Optical Modulation. ACS Photonics 9:3950–3957. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01326