The growth of vanadium dioxide thin films by magnetron sputtering technique and terahertz wave modulation characteristics

Abstract

Vanadium dioxide (VO2) is a fascinating material thanks to its unique insulator-metal transition (IMT) at 68 °C which is very close to the room temperature. This reversible change in electrical resistivity is around several orders of magnitude and the electrical change accompanied by optical and structural change as well. Thanks to these unique properties vanadium dioxide material has been studied intensively past decades. This phase transition allows us to apply the transition properties widen application such as field effect transistor (FET), uncooled bolometers, tunable metamaterial filters, high data rate wireless communication etc. Especially for terahertz region which is the most unexplored region of the electromagnetic spectrum, vanadium dioxide is a promising material having ability to modulate terahertz waves by IMT phenomena. In this work, vanadium dioxide (VO2) thin films fabricated by reactive DC magnetron sputtering method and its properties optimized to minimize the amounts of secondary phases by optimizing the oxygen concentration, sputtering power and deposition time. Samples which show the maximum resistivity change during the transition have been used for the terahertz modulation experiments. It has been observed that when the VO2 samples triggered by continuous wave (CW) laser, VO2 transforms to the metallic phase, behave as an opaque material to the terahertz wave. At room temperature, in insulating phase it is partially transparent to terahertz radiation. This results indicate that VO2 thin films can be a good candidate for THz wave modulators.

Vanadyum dioksit (VO2) oda sıcaklığına cok yakın gerçekleşen (68 °C) yalıtkan-metal geçiş özelliğiyle benzersiz bir malzemedir. Elektriksel direncindeki değişim 10^5 mertebesinde olmaktadır ve bu değişime optiksel ve yapısal değişim eşlik etmektedir. Bu benzersiz geçiş özellikleri sayesinde VO2 son yıllarda yoğun olarak çalışılmıştır. Bu faz geçişi, vanadium dioksiti alan etkili transistörler (FET), soğutulmamış bolometreler, ayarlanabilir terahertz filtreleri, yüksek veri hızlı kablosuz haberleşme gibi çeşitli alanlarda uygulama imkanı sunar. Özellikle elektromanyetik spektrumun en keşfedilmemiş bölgesi olan terahertz bölgesi için vanadium dioksit, terahertz dalgalarını elektriksel geçiş özelliği sayesinde module etme kabiliyetine sahip umut verici bir malzemedir. Bu çalışmada, vanadium dioksit (VO2) ince filmleri reaktif DC mıknatıssal saçtırma methodu ile büyütülmüştür ve ikincil fazları minimize etmek için saçtırma gücü, oksijen konsantrasyonu ve büyütme süresi optimize edilmiştir. Yalıtkan- metal geçişi sırasında maksimum direnç değişimi gösteren numuneler terahertz dalgaları modülasyon deneyleri için kullanılmıştır. Sürekli dalga lazeri ile tetiklenerek metalik faza geçmiş numunelerin terahertz dalgalarına karşı opak malzeme gibi davrandığı, oda sıcaklığında yalıtkan fazda olduğunda ise terahertz dalgalarını geçirdiği gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar, VO2 ince filmlerin terahertz dalga modülatörleri olarak kullanılabileceğini göstermiştir.