Optoelectronic and Memristive Devices Using VO2 and Fe2O3 on Flexible Mica Substrates : 유연 미카 기판을 활용한 VO2 및 Fe2O3 기반 멤리스터 소자 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Next-generation electronic devices require high speed, low power consumption, and mechanical flexibility with the expanding applications of AI, IoT, and wearable systems. However, conventional DRAM and flash memory are limited by their intrinsic structures and cannot fully meet these demands. As a result, memristors, which offer simple structures, fast switching, and low-power operation, have emerged as promising candidates for next-generation memory and neuromorphic computing. In parallel, the demand for optoelectronic devices that respond to a wide range of wavelengths while maintaining mechanical flexibility continues to grow, emphasizing the need for oxidebased devices that exhibit excellent electrical and optical properties and are compatible with flexible substrates. Transition-metal oxides have been widely explored for memristive and optoelectronic applications due to their strong electron correlations and structural stability. VO2, in particular, exhibits ultrafast resistance switching and optoelectronic behavior based on its metal–insulator transition, while Fe2O3 provides stable resistance switching through metal-ion-driven mechanisms and serves as a high-quality insulating material with good crystallinity. Muscovite mica, with its layered structure and high thermal stability, offers significant advantages as a flexible substrate capable of supporting high-temperature
oxide film growth and reliable device fabrication.

In this study, VO2 and Fe2O3 thin films were deposited on mica substrates, and their respective optoelectronic and memristive behaviors were experimentally analyzed. The VO2 films exhibited volatile resistance switching and photoresponse characteristics based on thermally and optically driven metal–insulator transitions, while the Fe2O3/Ag structure demonstrated electrochemical-metallization-mechanism (ECM)-type nonvolatile resistance switching induced by Ag-ion migration and filament formation. Xray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM) confirmed epitaxial growth and high crystalline quality of the films, and the fabricated devices maintained stable switching performance under mechanical bending conditions. These results demonstrate that VO2- and Fe2O3-based flexible oxide devices hold strong potential for applications in wearable electronics, neuromorphic computing, and flexible in-memory processing systems.

국문 초록 (Abstract)

차세대 전자소자는 AI, IoT, 웨어러블 기기 확산과 함께 초고속·저전력·유연성을 동시에 요구하고 있으며, 기존의 DRAM과 플래시 메모리는 구조적 한계로 인해 이러한 요구를 충족하기 어렵다. 이에 따라 단순 구조, 빠른 스위칭, 저전력 구동이 가능한 멤리스터(memristor)가 차세대 메모리 및 뉴로모픽 소자의 핵심 후보로 주목받고 있다. 또한 다양한 파장에 응답하고 기계적 유연성을 갖는 광전자 소자에 대한 수요가 증가하면서, 전기적·광학적 특성이 우수하고 유연 기판과 호환되는 새로운 산화물 기반 소자 연구의 필요성이 커지고 있다. 전이금속 산화물은 강한 상관 전자 특성과 구조적 안정성을 바탕으로 멤리스터와 광소자 연구에서 중요한 물질로 활용되어 왔다. 특히 VO2는 금속–절연체 이에 기반한 초고속 스위칭과 광전자 공학적(optoelectronic) 특성을 나타내며, Fe2O3는 결정성이 우수한 절연체로서 금속 이온 이동을 이용한 안정적인 저항 스위칭 특성을 제공한다. 천연 운모(Muscovite mica)는 층상 구조와 높은 열적 안정성을 바탕으로 고온 산화물 박막 성장과 플렉서블 소자 제작을 동시에 가능하게 하는 유연 기판 재료로서 장점이 크다.

본 연구에서는 유연한 운모 기판 위에 VO2 및 Fe2O3 박막을 증착하고, 각각의 광전자 공학적 및 멤리스터 동작 특성을 비교·분석하였다. VO2 박막은 열,광 자극에 따른 금속–절연체 전이에 기반한 휘발성 저항 스위칭 및 광응답
특성을 보였으며, Fe2O3/Ag 구조에서는 Ag 이온 이동과 필라멘트 형성에 의한 전기화학적 금속화(ECM) 기반 비휘발성 스위칭을 구현하였다. 또한 X-선회절(XRD) 및 원자 힘 현미경(AFM) 분석을 통해 박막의 에피택시 성장 및
결정성을 분석하였고, 제작된 소자는 휨 변형(bending) 환경에서도 안정적인 스위칭 특성을 유지하였다. 이러한 결과는 VO2와 Fe2O3 기반 플렉서블 산화물 소자가 웨어러블 전자소자, 뉴로모픽 컴퓨팅, 플렉서블 인-메모리 시스템
등 다양한 영역에서 활용될 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Theory and Review of Previous Studies 3
• 2.1 Transition Metal Oxides 3
• 2.2 Characteristics of Vanadium Dioxide (VO2) 5
• 2.3 Growth of VO2 on Mica Substrates 8
• 2.4 Epitaxial Growth of Fe2O3 Thin Films 12
• 2.5 VO2-Based Optoelectronic Devices 14
• 2.6 Introduction to Memristors 17
• 2.6.1 Emergence of the Memristor Concept 17
• 2.6.2 Classification of Resistance Switching Mechanisms 19
• 2.6.3 Bipolar and Unipolar Switching Modes 23
• 3. Experimental Methods 25
• 3.1 Pretreatment of Mica Substrates 25
• 3.2 Growth of VO2 and Fe2O3 Thin Films by Pulsed Laser Deposition 27
• 3.3 Electrode Fabrication by DC Magnetron Sputtering 29
• 3.4 Atomic Force Microscopy 31
• 3.5 Resistance Measurement of VO2 Thin Films 33
• 3.6 X-ray Diffraction 36
• 3.7 I–V Measurement Using a Probe Station 39
• 3.8 Laser Ablation Patterning 42
• 3.9 Scanning Electron Microscope and Focused Ion Beam 43
• 4. Experimental Results and Discussions 45
• PART 1. VO2-Based Optoelectronic and Resistance Switching Devices 45
• 4.1 Growth of VO2 Thin Films on Mica 45
• 4.1.1 Properties of VO2 Thin Films under Different Oxygen Partial Pressures 45
• 4.1.2 Properties of VO2 Thin Films under Different Deposition Temperatures 50
• 4.1.3 Properties of VO2 Thin Films with Varying Thicknesses 55
• 4.2 Resistance Measurements under Bending Conditions 59
• 4.3 Current-Voltage Characteristics of VO2/Mica Devices 62
• 4.4 Optical Response and Pulse Voltage Control of VO2/Mica Devices 65
• PART 2. Fe2O3-based Memristor Devices 69
• 4.5 Fabrication and Structural Analysis of Fe2O3-based Memristor Devices 69
• 4.6 TEM Analysis of Fe2O3-based Memristor Devices 77
• 4.7 Thickness Dependent Resistance Switching Characteristics of Fe2O3 Devices 82
• 4.8 Resistance Switching Characteristics of Fe2O3/Al2O3-based Memristor Devices 85
• 4.9 Resistance Switching Characteristics of Fe2O3/Mica-based Memristor Devices under Bending Conditions 88
• 5. Conclusion 91
• 6. Reference 93
• (초 록) 96