Metal-insulator transition (MIT), an intriguing correlated phenomenon induced by the subtle competition of the electrons' repulsive Coulomb interaction and kinetic energy, is of great potential use for electronic applications due to the dramatic change in resistivity. Here, we demonstrate a reversible control of MIT in VO2 films via oxygen stoichiometry engineering. By facilely depositing and dissolving a water-soluble yet oxygen-active Sr3Al2O6 capping layer atop VO2 at room temperature, oxygen ions can reversibly migrate between VO2 and Sr3Al2O6, resulting in a gradual suppression and a complete recovery of MIT in VO2. The migration of the oxygen ions is evidenced in a combination of transport measurement, structural characterization, and first-principles calculations. This approach of chemically induced oxygen migration using a water-dissolvable adjacent layer could be useful for advanced electronic and iontronic devices and studying oxygen stoichiometry effects on the MIT.
References
1.
I. G.
Austin
and N. F.
Mott
, Science
168
, 71
–77
(1970
).2.
N. F.
Mott
, Rev. Mod. Phys.
40
, 677
–683
(1968
).3.
G.
Grüner
, Rev. Mod. Phys.
60
, 1129
–1181
(1988
).4.
P. W.
Anderson
, Phys. Rev.
109
, 1492
–1505
(1958
).5.
F.
Evers
and A. D.
Mirlin
, Rev. Mod. Phys.
80
, 1355
–1417
(2008
).6.
B. J.
Kim
, H.
Ohsumi
, T.
Komesu
, S.
Sakai
, T.
Morita
, H.
Takagi
, and T.
Arima
, Science
323
, 1329
–1332
(2009
).7.
B.
Zwartsenberg
, R. P.
Day
, E.
Razzoli
, M.
Michiardi
, N.
Xu
, M.
Shi
, J. D.
Denlinger
, G.
Cao
, S.
Calder
, K.
Ueda
, J.
Bertinshaw
, H.
Takagi
, B. J.
Kim
, I. S.
Elfimov
, and A.
Damascelli
, Nat. Phys.
16
, 290
–294
(2020
).8.
M.
Imada
, A.
Fujimori
, and Y.
Tokura
, Rev. Mod. Phys
70
, 1039
(1998
).9.
Z.
Yang
, C.
Ko
, and S.
Ramanathan
, Annu. Rev. Mater. Res.
41
, 337
–367
(2011
).10.
Z.
Shao
, X.
Cao
, H.
Luo
, and P.
Jin
, NPG Asia Mater
10
, 581
–605
(2018
).11.
F. J.
Morin
, Phys. Rev. Lett.
3
, 34
–36
(1959
).12.
S.
Zhang
, I. S.
Kim
, and L. J.
Lauhon
, Nano Lett.
11
, 1443
–1447
(2011
).13.
J.
Jeong
, N.
Aetukuri
, T.
Graf
, T. D.
Schladt
, M. G.
Samant
, and S. S. P.
Parkin
, Science
339
, 1402
–1405
(2013
).14.
Z.
Zhang
, F.
Zuo
, C.
Wan
, A.
Dutta
, J.
Kim
, J.
Rensberg
, R.
Nawrodt
, H. H.
Park
, T. J.
Larrabee
, X.
Guan
, Y.
Zhou
, S. M.
Prokes
, C.
Ronning
, V. M.
Shalaev
, A.
Boltasseva
, M. A.
Kats
, and S.
Ramanathan
, Phys. Rev. Appl.
7
, 034008
(2017
).15.
J.
Cao
, E.
Ertekin
, V.
Srinivasan
, W.
Fan
, S.
Huang
, H.
Zheng
, J. W. L.
Yim
, D. R.
Khanal
, D. F.
Ogletree
, J. C.
Grossman
, and J.
Wu
, Nat. Nanotechnol.
4
, 732
–737
(2009
).16.
S. J.
Liu
, Y. T.
Su
, and J. H.
Hsieh
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
, 033201
(2014
).17.
J.
Wei
, H.
Ji
, W.
Guo
, A. H.
Nevidomskyy
, and D.
Natelson
, Nat. Nanotechnol.
7
, 357
–362
(2012
).18.
J.
Jeong
, N. B.
Aetukuri
, D.
Passarello
, S. D.
Conradson
, M. G.
Samant
, and S. S. P.
Parkin
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
, 1013
–1018
(2015
).19.
S.
Lee
, C.
Cheng
, H.
Guo
, K.
Hippalgaonkar
, K.
Wang
, J.
Suh
, K.
Liu
, and J.
Wu
, J. Am. Chem. Soc.
135
, 4850
–4855
(2013
).20.
M. M.
Fadlelmula
, E. C.
Surmeli
, M.
Ramezani
, and T. S.
Kasirga
, Nano Lett.
17
, 1762
–1767
(2017
).21.
J.
Rensberg
, S.
Zhang
, Y.
Zhou
, A. S.
McLeod
, C.
Schwarz
, M.
Goldflam
, M.
Liu
, J.
Kerbusch
, R.
Nawrodt
, S.
Ramanathan
, D. N.
Basov
, F.
Capasso
, C.
Ronning
, and M. A.
Kats
, Nano Lett.
16
, 1050
–1055
(2016
).22.
X.
He
, J.
Xu
, X.
Xu
, C.
Gu
, F.
Chen
, B.
Wu
, C.
Wang
, H.
Xing
, X.
Chen
, and J.
Chu
, Appl. Phys. Lett.
106
, 093106
(2015
).23.
D.
Lu
, D. J.
Baek
, S. S.
Hong
, L. F.
Kourkoutis
, Y.
Hikita
, and H. Y.
Hwang
, Nat. Mater.
15
, 1255
–1260
(2016
).24.
G.
Dong
, S.
Li
, M.
Yao
, Z.
Zhou
, Y. Q.
Zhang
, X.
Han
, Z.
Luo
, J.
Yao
, B.
Peng
, Z.
Hu
, H.
Huang
, T.
Jia
, J.
Li
, W.
Ren
, Z. G.
Ye
, X.
Ding
, J.
Sun
, C. W.
Nan
, L. Q.
Chen
, J.
Li
, and M.
Liu
, Science
366
, 475
–479
(2019
).25.
D.
Ji
, S.
Cai
, T. R.
Paudel
, H.
Sun
, C.
Zhang
, L.
Han
, Y.
Wei
, Y.
Zang
, M.
Gu
, Y.
Zhang
, W.
Gao
, H.
Huyan
, W.
Guo
, D.
Wu
, Z.
Gu
, E. Y.
Tsymbal
, P.
Wang
, Y.
Nie
, and X.
Pan
, Nature
570
, 87
–90
(2019
).26.
S. S.
Hong
, M.
Gu
, M.
Verma
, V.
Harbola
, B. Y.
Wang
, D.
Lu
, A.
Vailionis
, Y.
Hikita
, R.
Pentcheva
, J. M.
Rondinelli
, and H. Y.
Hwang
, Science
368
, 71
–76
(2020
).27.
K.
Han
, K.
Hu
, X.
Li
, K.
Huang
, Z.
Huang
, S.
Zeng
, D.
Qi
, C.
Ye
, J.
Yang
, H.
Xu
, A.
Ariando
, J.
Yi
, W.
Lü
, S.
Yan
, and X.
Renshaw Wang
, Sci. Adv.
5
, eaaw7286
(2019
).28.
A.
Srivastava
, H.
Rotella
, S.
Saha
, B.
Pal
, G.
Kalon
, S.
Mathew
, M.
Motapothula
, M.
Dykas
, P.
Yang
, E.
Okunishi
, D. D.
Sarma
, and T.
Venkatesan
, APL Mater.
3
, 026101
(2015
).29.
K.
Han
, L.
Wu
, Y.
Cao
, H. Y.
Wang
, C.
Ye
, K.
Huang
, M.
Motapothula
, H. N.
Xing
, X. H.
Li
, D. C.
Qi
, X.
Li
, and X.
Renshaw Wang
, ACS Appl. Mater. Interfaces
13
, 16688
–16693
(2021
).30.
K.
Appavoo
, D. Y.
Lei
, Y.
Sonnefraud
, B.
Wang
, S. T.
Pantelides
, S. A.
Maier
, and R. F.
Haglund
, Nano Lett.
12
, 780
–786
(2012
).31.
J. B.
Goodenough
, J. Solid State Chem.
3
, 490
–500
(1971
).32.
Z. Q.
Liu
, C. J.
Li
, W. M.
Lü
, X. H.
Huang
, Z.
Huang
, S. W.
Zeng
, X. P.
Qiu
, L. S.
Huang
, A.
Annadi
, J. S.
Chen
, J. M. D.
Coey
, T.
Venkatesan
, and Ariando
, Phys. Rev. X
3
, 021010
(2013
).33.
S.
Ackermann
, J. R.
Scheffe
, and A.
Steinfeld
, J. Phys. Chem. C
118
, 5216
–5225
(2014
).34.
N.
Domingo
, E.
Pach
, K.
Cordero-Edwards
, V.
Pérez-Dieste
, C.
Escudero
, and A.
Verdaguer
, Phys. Chem. Chem. Phys.
21
, 4920
–4930
(2019
).35.
W.
Li
, S.
Liu
, S.
Wang
, Q.
Guo
, and J.
Guo
, J. Phys. Chem. C
118
, 2469
–2474
(2014
).36.
G.
Ketteler
, S.
Yamamoto
, H.
Bluhm
, K.
Andersson
, D. E.
Starr
, D. F.
Ogletree
, H.
Ogasawara
, A.
Nilsson
, and M.
Salmeron
, J. Phys. Chem. C
111
, 8278
–8282
(2007
).37.
R.
Schaub
, P.
Thostrup
, N.
Lopez
, E.
Lægsgaard
, I.
Stensgaard
, J. K.
Nørskov
, and F.
Besenbacher
, Phys. Rev. Lett..
87
, 266104
(2001
).38.
J. L.
Wang
, F.
Gaillard
, A.
Pancotti
, B.
Gautier
, G.
Niu
, B.
Vilquin
, V.
Pillard
, G. L. M. P.
Rodrigues
, and N.
Barrett
, J. Phys. Chem. C
116
, 21802
–21809
(2012
).39.
S.
Lee
, T. L.
Meyer
, S.
Park
, T.
Egami
, and H. N.
Lee
, Appl. Phys. Lett.
105
, 223515
(2014
).40.
D.
Lee
, B.
Chung
, Y.
Shi
, G. Y.
Kim
, N.
Campbell
, F.
Xue
, K.
Song
, S. Y.
Choi
, J. P.
Podkaminer
, T. H.
Kim
, P. J.
Ryan
, J. W.
Kim
, T. R.
Paudel
, J. H.
Kang
, J. W.
Spinuzzi
, D. A.
Tenne
, E. Y.
Tsymbal
, M. S.
Rzchowski
, L. Q.
Chen
, J.
Lee
, and C. B.
Eom
, Science
362
, 1037
–1040
(2018
).41.
J. B.
Goodenough
, Phys. Rev.
117
, 1442
–1451
(1960
).42.
B.
Lazarovits
, K.
Kim
, K.
Haule
, and G.
Kotliar
, Phys. Rev. B
81
, 115117
(2010
).43.
L.
Chen
, X.
Wang
, D.
Wan
, Y.
Cui
, B.
Liu
, S.
Shi
, H.
Luo
, and Y.
Gao
, RSC Adv.
6
, 73070
–73082
(2016
).44.
L.
Chen
, Y.
Cui
, S.
Shi
, B.
Liu
, H.
Luo
, and Y.
Gao
, RSC Adv.
6
, 86872
–86879
(2016
).45.
T. A.
Mellan
, H.
Wang
, U.
Schwingenschlögl
, and R.
Grau-Crespo
, Phys. Rev. B
99
, 064113
(2019
).© 2021 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
