Физики из МФТИ и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН узнали, как именно пленки диоксида ванадия становятся проводящими. Это позволит создать тепловизоры, обладающие более высокой чувствительностью и скоростью реакции чем существующие на настоящий момент. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Тонкие — примерно 100 нм — пленки диоксида ванадия (VO2) в обычном состоянии не проводят электрический ток. При небольшом нагреве сопротивление падает — может уменьшиться даже в сто тысяч раз. Так нагреться пленка может, например, когда на нее подадут напряжение. Это свойство используют при разработке высокоскоростных переключаемых устройств и датчиков для постоянного тока или переменного сигнала терагерцового, микроволнового, оптического и инфракрасного диапазонов.
Исследователи обнаружили способность пленок VO2 становиться проводящими в середине прошлого века. Но до сих пор точный механизм изменения свойств материала был неизвестен. Если ученые будут знать механизм процесса, они смогут создавать такие материалы, какие им нужны для определенных приложений. Например, можно будет синтезировать тонкие пленки с заданными заранее свойствами: температурой, при которой меняются проводящие свойства, или отношением сопротивлений до и после нагревания.
«Одна из самых полезных вещей, которую можно делать из такой пленки, — это чувствительные элементы для неохлаждаемого болометра. Болометр — основа тепловизора. Применение пленок VO2 способно увеличить чувствительность и скорость реакции существующих на текущий момент тепловизоров, расширив область их применения на быстродвижущиеся объекты», — комментирует Виктор Полозов, аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау.
Исследователи из МФТИ предположили, что смена состояния пленки VO2 происходит по следующему сценарию: сначала пленка нагревается, в каких-то местах ее возникают проводящие области. Затем проводящие области образуют канал, благодаря которому пленка становится проводящей. При дальнейшем нагреве этот канал расширяется, а сопротивление пленки — уменьшается.
Этот процесс называется «режим с обострением». Подобные процессы раньше уже обнаруживали и в других материалах. Например, он имеет место в высокотемпературных сверхпроводниках в переходе «проводник — сверхпроводник».
Чтобы доказать, что в пленках VO2 при нагреве реализуется такой же сценарий, ученые объединили теоретический и экспериментальный подход.
С одной стороны, исследователи синтезировали пленки с различными свойствами, а потом измерили их вольт-амперную характеристику и температурную зависимость сопротивления.
С другой стороны, пользуясь готовыми моделями для описания процессов с обострением, они теоретически смоделировали температурную модель сопротивления и вольт-амперную характеристику (ВАХ) пленок.
«Теоретические расчеты совпали с экспериментальными, причем для пленок с различной структурой, нанесенных на различные подложки. Мы сделали вывод, что данный механизм универсален — то есть все тонкие пленки VO2 становятся проводящими при нагревании именно таким образом», — говорит Александр Рахманов, профессор кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники Физтех-школы физики и исследований им. Ландау.
Ученые подтвердили свое предположение, что переход в VO2 может быть описан как процесс в режиме с обострением. Зная, что переход происходит именно по такому механизму, исследователи могут моделировать данный процесс. Этим они планируют заняться в рамках дальнейшей работы.
