ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Диоксид ванадия (VO₂) – материал, испытывающий обратимый фазовый переход полупроводник-металл первого порядка вблизи комнатной температуры, сопровождаемый структурным фазовым переходом. Фазовый переход вызывает резкие изменения электрических и оптических свойств, что перспективно для практических применений. Наноструктуры на основе VO₂ за счет малых размеров обладают значительной стойкостью к механическим деформациям, возникающим во время структурного перехода, а также демонст­рируют яркие характеристики фазового перехода. Получение наноструктур VO₂ является крайне востребованной задачей. В данной работе сообщается об использовании метода сканирующей зондовой литографии для наноструктурирования поликристаллических пленок VO₂. Настоящее исследование сосредоточено на модификации пленок VO₂ при приложении положительного смещения на образец. Проанализировано влияние величины и длительности приложенного напряжения, относительной влажности воздуха на качество формируемого нанолитографического рисунка. Определен механизм окисления. Установлено, что в результате локального анодного окисления формирующиеся оксидные структуры, состоящие из пентаоксида ванадия (V₂O₅), полностью растворяются в воде. Таким образом, сплошная поликристаллическая пленка VO₂ разделяется на отдельные наноструктуры со строго заданными размерами. Представленный способ формирования наноструктур из кристаллических пленок VO₂ перспективен для нанофотоники и наноэлектроники.

1. Morin F.J. Oxides which show a metal-to-insulator transition at the Neel temperature // Physical Review Letters. – 1959. – Vol. 3. – P. 34–36. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.3.34.
2. Stefanovich G., Pergament A., Stefanovich D. Electrical switching and Mott transition in VO₂ // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2000. – Vol. 12. – P. 8837–8845. – DOI: 10.1088/0953-8984/12/41/310.
3. Femtosecond laser excitation of the semiconductor-metal phase transition in VO₂ / M.F. Becker, A.B. Buckman, R.M. Walser, T. Lépine, P. Georges, A. Brun // Applied Physics Letter. – 1994. – Vol. 65. – P. 1507–1509. – DOI: 10.1063/1.112974.
4. Measurement of a solid-state triple point at the metal– insulator transition in VO₂ / J.H. Park, J.M. Coy, T.S. Kasirga, C. Huang, Z. Fei, S. Hunter, D.H. Cobden // Nature. – 2013. – Vol. 500. – P. 431–434. – DOI: 10.1038/nature12425.
5. Effect of lattice misfit on the transition temperature of VO₂ thin film / H. Koo, S. Yoon, O.J. Kwon, K.E. Ko, D. Shin, S.H. Bae, S.H. Chang, C. Park // Journal of Materials Science. – 2012. – Vol. 47. – P. 6397–6401. – DOI: 10.1007/s10853-012-6565-1.
6. Control of the metal–insulator transition in vanadium dioxide by modifying orbital occupancy / N.B. Aetukuri, A.X. Gray, M. Drouard, M. Cossale, L. Gao, A.H. Reid, R. Kukreja, H. Ohldag, C.A. Jenkins, E. Arenholz, K.P. Roche, H.A. Dürr, M.G. Samant, S.S.P. Parkin // Nature Physics. – 2013. – Vol. 9. – P. 661–666. – DOI: 10.1038/nphys2733.
7. Kittiwatanakul S., Wolf S.A., Lu J. Large epitaxial bi-axial strain induces a Mott-like phase transition in VO₂ // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 105. – P. 073112. – DOI: 10.1063/1.4893326.
8. Thermally tunable optical constants of vanadium dioxide thin films measured by spectroscopic ellipsometry / J.B. Kana Kana, J.M. Ndjaka, G. Vignaud, A. Gibaud, M. Maaza // Optics Communications. – 2011. – Vol. 28. – P. 807–812. – DOI: 10.1016/j.optcom. 2010.10.009.
9. Sun J., Pribil G.K. Analyzing optical properties of thin vanadium oxide films through semiconductor-to-metal phase transition using spectroscopic ellipsometry  // Applied Surface Science. – 2017. – Vol. 421. – P. 819–823. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.09.125.
10. Schlag H.J., Scherber W. New sputter process for VO₂ thin films and examination with MIS-elements and C–V-measurements // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 366. – P. 28–31. – DOI: 10.1016/S0040-6090(00)00711-2.
11. Yang Z., Ko C., Ramanathan S. Oxide electronics utilizing ultrafast metal-insulator transitions // Annual Review of Materials Research. – 2011. – Vol. 41. – P. 337–367. – DOI: 10.1146/annurev-matsci-062910-100347.
12. Infrared-sensitive electrochromic device based on VO₂ / M. Nakano, K. Shibuya, N. Ogawa, T. Hatano, M. Kawasaki, Y. Iwasa, Y. Tokura // Applied Physics Letters. – 2013. – Vol. 103. – P. 153503. – DOI: 10.1063/1.4824621.
13. Vanadium dioxide as a natural disordered metamaterial: perfect thermal emission and large broadband negative differential thermal emittance / M.A. Kats, R. Blanchard, S. Zhang, P. Genevet, C. Ko, S. Ramanathan, F. Capasso // Physical Review X. – 2013. – Vol. 3. – P. 041004. – DOI: 10.1103/PhysRevX.3.041004.
14. On-chip photonic memory elements employing phase-change materials / C. Rios, P. Hosseini, C.D. Wright, H. Bhaskaran, W.H.P. Pernice // Advanced Materials. – 2013. – Vol. 26. – P. 1372–1377. – DOI: 10.1002/adma.201304476.
15. CMOS and beyond: logic switches for terascale integrated circuits / ed. by T.-J.K. Liu, K. Kuhn. – Cambridge: Cambridge University Press, 2015. – 420 p. – DOI: 10.1017/ CBO9781107337886.
16. A new approach to the fabrication of VO₂ nanoswitches with ultra-low energy consumption / V.Y. Prinz, S.V. Mutilin, L.V. Yakovkina, A.K. Gutakovskii, A.I. Komonov // Nanoscale. – 2020. – Vol. 12. – P. 3443–3454. – DOI: 10.1039/C9NR08712E.
17. New approaches to nanofabrication: molding, printing, and other techniques / B.D. Gates, Q. Xu, M. Stewart, D. Ryan, C.G. Willson, G.M. Whitesides // Chemical Reviews. – 2005. – Vol. 105. – P. 1171–1196. – DOI: 10.1021/cr030076o.
18. Advances in top–down and bottom–up surface nanofabrication: techniques, applications & future prospects / A. Biswas, I.S. Bayer, A.S. Biris, T. Wang, E. Dervishi, F. Faupel // Advances in Colloid and Interface Science. – 2012 – Vol. 170. – P. 2–27. – DOI: 10.1016/ j.cis.2011.11.001.
19. Chen Y. Nanofabrication by electron beam lithography and its applications: a review // Microelectronic Engineering. – 2015. – Vol. 135. – P. 57–72. – DOI: 10.1016/j.mee.2015.02.042.
20. Zinkle S.J., Busby J.T. Structural materials for fission & fusion energy // Materials Today. – 2009. – Vol. 12. – P. 12–19. – DOI: 10.1016/S1369-7021(09)70294-9.
21. Scanning probe lithography: state-of-the-art and future perspectives / P. Fan, J. Gao, H. Mao, Y. Geng, Y. Yan, Y. Wang, X. Luo // Micromachines. – 2022. – Vol. 13. – P. 228. – DOI: 10.3390/mi13020228.
22. Faradaic current detection during anodic oxidation of the H passivated p-Si (001) surface with controlled relative humidity / H. Kuramochi, F. Pérez-Murano, J.A. Dagata, H. Yokoyama // Nanotechnology. – 2003. – Vol. 15. – P. 297. – DOI: 10.1088/0957-4484/15/3/012.
23. In situ detection of faradaic current in probe oxidation using a dynamic force microscope / H. Kuramochi, K. Ando, T. Tokizaki, H. Yokoyama // Applied Physics Letters. – 2004. – Vol. 84. – P. 4005–4007. – DOI: 10.1063/1.1748842.
24. Measurement of faradaic current during AFM local oxidation of magnetic metal thin films / Y. Takemura, Y. Shimada, G. Watanabe, T. Yamada, J.I. Shirakashi // Journal of Physics: Conference Series. – 2007. – Vol. 61. – P. 1147. – DOI: 10.1088/1742-6596/61/1/227.
25. Martinez J., Martinez R.V., Garcia R. Silicon nanowire transistors with a channel width of 4 nm fabricated by atomic force microscope nanolithography // Nano Letters. – 2008. – Vol. 8.– P. 3636–3639. – DOI: 10.1021/nl801599k.
26. MOCVD growth and characterization of vanadium dioxide films / L.V. Yakovkina, S.V. Mutilin, V.Y. Prinz, T.P. Smirnova, V.R. Shayapov, I.V. Korol’kov, N.D. Volchok // Journal of Materials Science. – 2017. – Vol. 52. – P. 4061–4069. – DOI: 10.1007/s10853-016-0669-y.
27. Garcia R., Knoll A.W., Riedo E. Advanced scanning probe lithography // Nature Nanotechnology. – 2014. – Vol. 9. – P. 577–587. – DOI: 10.1038/nnano.2014.157.
28. Nanolithography of amorphous vanadium oxide films using an atomic force microscope / A.I. Komonov, N.D. Mantsurov, S.V. Mutilin, B.V. Voloshin, V.A. Seleznev // Proceedings of IEEE 23rd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). – IEEE, 2022. – P. 20–24. – DOI: 10.1109/EDM55285.2022.9855164.
29. Cabrera N., Mott N.F. Theory of the oxidation of metals // Reports on Progress in Physics. – 1949. – Vol. 12. – P. 163. – DOI: 10.1088/0034-4885/12/1/308.
30. Trypuc M., Kielkowska U., Chalat M. Solubility investigations in the NaCl + V₂O₅ + H₂O system from 293 K to 323 K // Journal of Chemical & Engineering Data. – 2002. – Vol. 4. – P. 765–767. – DOI: 10.1021/je010212r