A Vanadium Dioxide Metamaterial Disengaged from Insulator-to-Metal Transition

김대식 교수 연구팀은 비금속-금속 상전이 특성을 가진 이산화 바나듐 (Vanadium dioxide) 박막 위에 5 nm 의 너비를 가지는 금속 나노 틈 구조를 제작하고 온도 변화에 따른 테라헤르츠파 투과 특성을 측정하였다. 그 결과 원래의 상전이 온도보다 20도 이상 낮은 온도에서 테라헤르츠파 투과도의 이력현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 금속 나노 틈의 너비가 좁아질수록 뚜렷하게 나타났고 틈 너비와 상전이 온도 변화 사이의 상관관계를 확인할 수 있었다. 이는 상전이 현상과는 별개로 모든 반도체 물질에서 보편적으로 나타나는 전하밀도의 볼츠만 함수 의존성을 이용해 나노 틈에 집속된 테라헤르츠파의 투과 특성을 조절함으로서 가능하다. 이번 결과는 상전이 온도에 국한되는 상전이 물질 소자의 응용 범위를 크게 넓여줄 것으로 기대된다.
본 연구는 전기정보공학부 박남규 교수 연구실, 물리천문학부 홍승훈 교수 연구실, ETRI 김현탁 박사 연구실과의 공동연구로 수행되었다.

Authors: Young-Gyun Jeong, Sanghoon Han, Jiyeah Rhie, Ji-Soo Kyoung, Jae-Wook Choi, Namkyoo Park, Seunghun Hong, Bong-Jun Kim, Hyun-Tak Kim, and Dai-Sik Kim

Abstract: We report that vanadium dioxide films patterned with λ/100000 nanogaps exhibit an anomalous transition behavior at millimeter wavelengths. Most of the hybrid structure’s switching actions occur well below the insulator to metal transition temperature, starting from 25 °C, so that the hysteresis curves completely separate themselves from their bare film counterparts. It is found that thermally excited intrinsic carriers are responsible for this behavior by introducing enough loss in the context of the radically modified electromagnetic environment in the vicinity of the nanogaps. This phenomenon newly extends the versatility of insulator to metal transition devices to encompass their semiconductor properties.