Resistance modulation in SmNiO3 FET with hBN as gate insulator. Tanaka lab M1 Nonaka Shin

What’s FET? FET (Field Effect Transistor)… It is a transistor that controls the current between the source and drain electrodes by applying a voltage to the gate electrode. ⇒ ON/OFF switch The size is limited ⇒Towards the fabrication of novel devices

SmNiO3 MIT Strongly correlated electron-based oxides Sm Ni O Ni O Ni Coulomb repulsion energy：U Kinetic energy of electrons：E Strongly correlated electron-based oxides SmNiO3 Perovskite structure Ni　 O Sm　 E<U insulator @ low temperature E>U metal @ high temperature MIT K.Hayashi , master's thesis (2017) My target material is . Because of strongly electron correlation,SNO shows metal insulater transition at about 350K.

hBN Hexagonal boron nitride(hBN) Layered material stacked by van der Waals force. Chemically stable without dangling bonds. High mobility not possible with SiO2 gating. Excellent insulation, even at atomic level. Transferable and peelable on any material. http://www.yambo-code.org/wiki/index.php?title=Bulk_material:_h-BN Nat. Nano. 2010 Graphene hBN ∆𝑅=1.2% VO2/hBN Y.Anzai master's thesis (2018) そこでわたしが用いるゲート絶縁体はhBNという物質です。 この物質はファンデルワールス力で積み重なった層状物質で ダングリングボンドを持たず、化学的に安定で SiO2ゲーティングでは不可能な高い移動度を実現し 原子レベルに薄くしても、優れた絶縁性を示し 任意の材料上に転写、剥離することが可能です。 こちらがGraphene上に転写したhBNの光学顕微鏡図で、こちらが前年度卒業された安西さんがhBNをゲート絶縁体として用いて作成されたVO2薄膜FETでのスイッチング動作を表すグラフです。このように先行研究ではｈBNをゲート絶縁体として用いている例があり、 化学的安定性かつ優れた誘電性を持つゲート絶縁体として期待されています。 4 Graphene FET with hBN Expected as a gate insulator with chemical stability and excellent dielectric properties.

Purposes & Fabrication process SNO/hBN FET The metal insulator transition is electrostatically controlled by the electric field effect above room temperature. ↓ Switching device Fabrication process ※ There for my purpse is that …

PLD Features Advantage chamber ・A high energy pulsed laser is applied to the target in the chamber to ablate instantaneously. ・In the plasma state of the plume, collision with the reaction gas in the chamber is repeated toward the substrate. Advantage ・The material of high melting point can be evaporated. (Ni ~ 1450℃) ・The material can be deposited under high oxygen pressure. ・ Materials of different composition ratios can be deposited simultaneously. chamber

Off-stoichiometry in RNiO3 thin films grown by PLD Laser energy : OK Target(RNiO₃) Ni R Substrate Ablation ratio(R:Ni = 1:1) stoichiometry 〇 stoichiometry × (Ni lack) ~8 nm (11 units)-NdNiO3 film on LaAlO3 (R-T curve) AIP Advances 7 (2017) 015210 RNO film with stoichiometry showed good MIT property. Target(RNiO₃) Ni R Substrate Ablation ratio(R:Ni = 1:1-α) Laser energy : NG ⑤PLDでNNOを作製する場合、条件がずれると組成ズレが起こることが報告されていま ・具体的には、NdNiO₃という組成のターゲットつまりNd:Ni=1:１のターゲットを用いた場合、レーザーエネルギーが十分高ければNd:Niのアブレーション比率は1:1になるため、得られた薄膜の組成ズレは起こらずストイキオメトリを保てます。 ・ちなみにアブレーションとは、、、ターゲットにレーザーを照射したときにターゲットから物質が分子やイオン状態となって飛んでいくことです。 ・しかし、レーザーのエネルギーが低かった場合、Niのアブレーション比率が小さくなり、Ni不足の組成ズレした薄膜が得られます。 ・NNO薄膜のストイキオメトリは、転移特性に大きな影響を及ぼします。 ・こちらのR-TグラフLAO基板上のNiとNdの組成比が異なるNNO薄膜のものです。 ・黒と赤（CとD）は、NiとNdの比がほぼ1:1で、このときのMITはRins/Rmetが大きいものとなっています。 ・しかし、組成ズレが起こって、Niが不足した場合、B,A,Eの場合ですが、抵抗変化比Rins/Rmetは小さくなりMITは見られなくなります。

Sm:Ni in prepared target Control of Sm/Ni ratio Ni rich target Sm Substrate Ni Laser energy : low (80 mJ) stoichiometry 〇 Prepare target material in excess of Ni Sm:Ni in prepared target Sample name 1:1.25 SNO1.25 1:1.5 SNO1.5 1:1.75 SNO1.75 1:2.0 SNO2.0 1:2.5 SNO2.5 ★ Optimization of the stoichiometry ratio

Effect of oxygen deficiency SmNiO3 on LaAlO3 (LAO) substrates ・When the oxygen pressure during PLD is low, the transition temperature is low. ・No transition occurs in too low oxygen pressure. Literature value 400 K Journal of Solid State Chemistry Volume 190, June 2012, Pages 233-237 Too low TMI & no transition ★ Optimization of oxygen pressure at PLD

Fabrication of SmNiO3 thin film PLD Condition① *Substrate：SrTiO3(001) *Target ratio：SmNixO3 (1.0≦x≦2.5) *Energy：80 mJ *Deposition time：60 min *Temperature：～650℃ *Oxygen pressure：30,40,50,60,70 Pa ratio SNO1.5 is best Resistance too high ⇒Deviation of composition SNO1.25 , SNO1.5

Fabrication of SmNiO3 thin film PLD Condition② Oxygen pressure MIT SNO1.5 30Pa × SNO1.5 40Pa SNO1.5 50Pa SNO1.5 60Pa 〇(115℃) SNO1.5 70Pa 〇(125℃) MIT 125℃ Judging from literature values.... 60Pa is best pressure 115℃ Identification of the best PLD Conditions

Evaluation of Crystal structure & Transport property RHEED image as deposition RT measurement XRD measurement SNO(220) MIT

hBN transfer on SNO channel Optical microscope image of SNO-FET SEM image of SNO-FET hBN transfer position Expansion Many dusts SNO channel SNO channel Source Drain Drain Source 100μm hBN could not be transferred on SNO channel hBN Unevenness of the channel and the substrate Flat surface … 山中さんが行っておられるNNOの場合でもNi過剰のターゲットでは正しくエピタキシャル成長しないということが分かっているので今回の2.0のSNO薄膜もエピタキシャル成長していないと考えています。 また下のアルゴンスパッタのケースで考えても…。 ⇒I can not transfer hBN Uneven surface Need that it is flat

Problem in hBN transfer process 〇Cause Many particles with several hundreds nm to 1 μm Etching power is too strong... 〇Next approach Slide glass ・Control of etching energy to reduce numbers of particles. ・Design of the device structure to reduce 3D structure problem. hBN PDMS Sample Transfer image Transfer device

Summary and outlook 〇Summary I have realized the fabrication of the SNO epitaxial film with MIT property by tuning Sm/Ni ratio in a target and oxygen pressures during PLD deposition. I tried to produce SNO/hBN FET device, but BN could not be transferred because of particle generation during fabrication process. 〇Outlook Control energy for dry etching process for SNO device fabrication process. Design new device structures to realize easy transfer of hBN.