Studies were conducted on epitaxial VO2 thin films to assess to the effect of remote epitaxy on the metal–insulator transition (MIT). The epitaxial VO2 heterostructures were synthesized on both bare Al2O3 (0001) substrates and Al2O3 substrates coated with two monolayer-thick graphene. While both systems exhibit the MIT, the film grown by remote epitaxy on graphene demonstrates improved transport properties. Electrical transport measurements show that the on/off ratio is enhanced by a factor of ∼7.5 and the switching temperature window is narrower for VO2 thin films grown on graphene. By characterizing the heterostructures with a suite of structural, chemical, and spectroscopic tools, we find that the graphene interlayer inhibits oxygen vacancy diffusion from Al2O3 (0001) during the VO2 growth, resulting in improved electrical behavior at the MIT.

1.
A. F.
Santander-Syro
,
O.
Copie
,
T.
Kondo
,
F.
Fortuna
,
S.
Pailhès
,
R.
Weht
,
X. G.
Qiu
,
F.
Bertran
,
A.
Nicolaou
,
A.
Taleb-Ibrahimi
,
P.
Le Fèvre
,
G.
Herranz
,
M.
Bibes
,
N.
Reyren
,
Y.
Apertet
,
P.
Lecoeur
,
A.
Barthélémy
, and
M. J.
Rozenberg
,
Nature
469
,
189
(
2011
).
2.
I. M.
Miron
,
K.
Garello
,
G.
Gaudin
,
P.-J.
Zermatten
,
M. V.
Costache
,
S.
Auffret
,
S.
Bandiera
,
B.
Rodmacq
,
A.
Schuhl
, and
P.
Gambardella
,
Nature
476
,
189
(
2011
).
3.
H. Y.
Hwang
,
Y.
Iwasa
,
M.
Kawasaki
,
B.
Keimer
,
N.
Nagaosa
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Mater.
11
,
103
(
2012
).
4.
C.
Liu
,
X.
Yan
,
D.
Jin
,
Y.
Ma
,
H.-W.
Hsiao
,
Y.
Lin
,
T. M.
Bretz-Sullivan
,
X.
Zhou
,
J.
Pearson
,
B.
Fisher
,
J. S.
Jiang
,
W.
Han
,
J.-M.
Zuo
,
J.
Wen
,
D. D.
Fong
,
J.
Sun
,
H.
Zhou
, and
A.
Bhattacharya
,
Science
371
,
716
(
2021
).
5.
F. J.
Morin
,
Phys. Rev. Lett.
3
,
34
(
1959
).
6.
K.
Kosuge
,
J. Phys. Soc. Jpn.
22
,
551
(
1967
).
7.
M.
Liu
,
H. Y.
Hwang
,
H.
Tao
,
A. C.
Strikwerda
,
K.
Fan
,
G. R.
Keiser
,
A. J.
Sternbach
,
K. G.
West
,
S.
Kittiwatanakul
,
J.
Lu
,
S. A.
Wolf
,
F. G.
Omenetto
,
X.
Zhang
,
K. A.
Nelson
, and
R. D.
Averitt
,
Nature
487
,
345
(
2012
).
8.
M. F.
Jager
,
C.
Ott
,
P. M.
Kraus
,
C. J.
Kaplan
,
W.
Pouse
,
R. E.
Marvel
,
R. F.
Haglund
,
D. M.
Neumark
, and
S. R.
Leone
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
114
,
9558
(
2017
).
9.
M. M.
Qazilbash
,
M.
Brehm
,
B.-G.
Chae
,
P.-C.
Ho
,
G. O.
Andreev
,
B.-J.
Kim
,
S. J.
Yun
,
A. V.
Balatsky
,
M. B.
Maple
,
F.
Keilmann
,
H.-T.
Kim
, and
D. N.
Basov
,
Science
318
,
1750
(
2007
).
10.
J.
Jeong
,
N.
Aetukuri
,
T.
Graf
,
T. D.
Schladt
,
M. G.
Samant
, and
S. S. P.
Parkin
,
Science
339
,
1402
(
2013
).
11.
G.
Stefanovich
,
A.
Pergament
, and
D.
Stefanovich
,
J. Phys.: Condens. Matter
12
,
8837
(
2000
).
12.
S.
Biermann
,
A.
Poteryaev
,
A. I.
Lichtenstein
, and
A.
Georges
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
026404
(
2005
).
13.
T.
Yao
,
X.
Zhang
,
Z.
Sun
,
S.
Liu
,
Y.
Huang
,
Y.
Xie
,
C.
Wu
,
X.
Yuan
,
W.
Zhang
,
Z.
Wu
,
G.
Pan
,
F.
Hu
,
L.
Wu
,
Q.
Liu
, and
S.
Wei
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
226405
(
2010
).
14.
M.
Imada
,
A.
Fujimori
, and
Y.
Tokura
,
Rev. Mod. Phys.
70
,
1039
(
1998
).
15.
M.
Nakano
,
K.
Shibuya
,
D.
Okuyama
,
T.
Hatano
,
S.
Ono
,
M.
Kawasaki
,
Y.
Iwasa
, and
Y.
Tokura
,
Nature
487
,
459
(
2012
).
16.
X.
Chen
,
J.
Li
, and
Q.
Lv
,
Optik
124
,
2041
(
2013
).
17.
J.
Zhou
,
Y.
Gao
,
Z.
Zhang
,
H.
Luo
,
C.
Cao
,
Z.
Chen
,
L.
Dai
, and
X.
Liu
,
Sci. Rep.
3
,
3029
(
2013
).
18.
E.
Strelcov
,
Y.
Lilach
, and
A.
Kolmakov
,
Nano Lett.
9
,
2322
(
2009
).
19.
F. J.
Wong
,
Y.
Zhou
, and
S.
Ramanathan
,
J. Cryst. Growth
364
,
74
(
2013
).
20.
C.
Ko
,
Z.
Yang
, and
S.
Ramanathan
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
3
,
3396
(
2011
).
21.
D.
Ruzmetov
,
K. T.
Zawilski
,
V.
Narayanamurti
, and
S.
Ramanathan
,
J. Appl. Phys.
102
,
113715
(
2007
).
22.
K.
Martens
,
N.
Aetukuri
,
J.
Jeong
,
M. G.
Samant
, and
S. S. P.
Parkin
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
081918
(
2014
).
23.
M. R.
Bayati
,
R.
Molaei
,
F.
Wu
,
J. D.
Budai
,
Y.
Liu
,
R. J.
Narayan
, and
J.
Narayan
,
Acta Mater.
61
,
7805
(
2013
).
24.
D. K.
Lee
,
Y.
Park
,
H.
Sim
,
J.
Park
,
Y.
Kim
,
G.-Y.
Kim
,
C.-B.
Eom
,
S.-Y.
Choi
, and
J.
Son
,
Nat. Commun.
12
,
5019
(
2021
).
25.
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
(
2018
).
26.
H.-T.
Zhang
,
L.
Zhang
,
D.
Mukherjee
,
Y.-X.
Zheng
,
R. C.
Haislmaier
,
N.
Alem
, and
R.
Engel-Herbert
,
Nat. Commun.
6
,
8475
(
2015
).
27.
L. L.
Fan
,
S.
Chen
,
Z. L.
Luo
,
Q. H.
Liu
,
Y. F.
Wu
,
L.
Song
,
D. X.
Ji
,
P.
Wang
,
W. S.
Chu
,
C.
Gao
,
C. W.
Zou
, and
Z. Y.
Wu
,
Nano Lett.
14
,
4036
(
2014
).
28.
S.
Chen
,
Z.
Wang
,
H.
Ren
,
Y.
Chen
,
W.
Yan
,
C.
Wang
,
B.
Li
,
J.
Jiang
, and
C.
Zou
,
Sci. Adv.
5
,
eaav6815
(
2019
).
29.
Y. F.
Wu
,
L. L.
Fan
,
S. M.
Chen
,
S.
Chen
,
C. W.
Zou
, and
Z. Y.
Wu
,
AIP Adv.
3
,
042132
(
2013
).
30.
S.
Lu
,
L.
Hou
, and
F.
Gan
,
Adv. Mater.
9
,
244
(
1997
).
31.
Q.
Lu
,
C.
Sohn
,
G.
Hu
,
X.
Gao
,
M. F.
Chisholm
,
I.
Kylänpää
,
J. T.
Krogel
,
P. R. C.
Kent
,
O.
Heinonen
,
P.
Ganesh
, and
H. N.
Lee
,
Sci. Rep.
10
,
18554
(
2020
).
32.
H. S.
Kum
,
H.
Lee
,
S.
Kim
,
S.
Lindemann
,
W.
Kong
,
K.
Qiao
,
P.
Chen
,
J.
Irwin
,
J. H.
Lee
,
S.
Xie
,
S.
Subramanian
,
J.
Shim
,
S.-H.
Bae
,
C.
Choi
,
L.
Ranno
,
S.
Seo
,
S.
Lee
,
J.
Bauer
,
H.
Li
,
K.
Lee
,
J. A.
Robinson
,
C. A.
Ross
,
D. G.
Schlom
,
M. S.
Rzchowski
,
C.-B.
Eom
, and
J.
Kim
,
Nature
578
,
75
(
2020
).
33.
H.
Kim
,
K.
Lu
,
Y.
Liu
,
H. S.
Kum
,
K. S.
Kim
,
K.
Qiao
,
S.-H.
Bae
,
S.
Lee
,
Y. J.
Ji
,
K. H.
Kim
,
H.
Paik
,
S.
Xie
,
H.
Shin
,
C.
Choi
,
J. H.
Lee
,
C.
Dong
,
J. A.
Robinson
,
J.-H.
Lee
,
J.-H.
Ahn
,
G. Y.
Yeom
,
D. G.
Schlom
, and
J.
Kim
,
ACS Nano
15
,
10587
(
2021
).
34.
Y.
Guo
,
X.
Sun
,
J.
Jiang
,
B.
Wang
,
X.
Chen
,
X.
Yin
,
W.
Qi
,
L.
Gao
,
L.
Zhang
,
Z.
Lu
,
R.
Jia
,
S.
Pendse
,
Y.
Hu
,
Z.
Chen
,
E.
Wertz
,
D.
Gall
,
J.
Feng
,
T.-M.
Lu
, and
J.
Shi
,
Nano Lett.
20
,
33
(
2020
).
35.
G.
Giuli
,
E.
Paris
,
J.
Mungall
,
C.
Romano
, and
D.
Dingwell
,
Am. Miner.
89
,
1640
(
2004
).
36.
J.
Wong
,
F. W.
Lytle
,
R. P.
Messmer
, and
D. H.
Maylotte
,
Phys. Rev. B
30
,
5596
(
1984
).
37.
C.
Marini
,
M.
Bendele
,
B.
Joseph
,
I.
Kantor
,
M.
Mitrano
,
O.
Mathon
,
M.
Baldini
,
L.
Malavasi
,
S.
Pascarelli
, and
P.
Postorino
,
Europhys. Lett.
108
,
36003
(
2014
).
38.
H.
Cao
,
H.
Guo
,
Y.-C.
Shao
,
Q.
Liu
,
X.
Feng
,
Q.
Lu
,
Z.
Wang
,
A.
Zhao
,
A.
Fujimori
,
Y.-D.
Chuang
,
H.
Zhou
, and
X.
Zhai
,
Nano Lett.
21
,
3981
(
2021
).
39.
J. S.
Bunch
,
S. S.
Verbridge
,
J. S.
Alden
,
A. M.
van der Zande
,
J. M.
Parpia
,
H. G.
Craighead
, and
P. L.
McEuen
,
Nano Lett.
8
,
2458
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.