Ученые выяснили механизм возникновения проводимости в пленках из диоксида ванадия

Ученые из Московского физико-технического института и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН узнали, как именно пленки диоксида ванадия становятся проводящими. Это позволит удешевить тепловизоры на основе таких пленок, увеличить их чувствительность и разрешение. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B, о нем сообщает пресс-служба МФТИ.

Тонкие  — примерно 100 нм  —  пленки диоксида ванадия (VO₂) в обычном состоянии не проводят электрический ток. Но при небольшом нагреве электросопротивление пленки падает — может уменьшиться даже в сто тысяч раз. Исследователи обнаружили способность пленок VO₂ становиться проводящими  еще в середине прошлого века. Это свойство используют при разработке высокоскоростных переключаемых устройств и датчиков для постоянного тока или переменного сигнала терагерцового, микроволнового, оптического и инфракрасного диапазонов. Но до сих пор точный механизм изменения свойств материала был неизвестен. Если узнать его, 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 позволит удешевить тепловизоры, увеличить их чувствительность и разрешение»,  — комментирует Виктор Полозов, аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау.

Исследователи из МФТИ предположили, что смена состояния пленки 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 профессор кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники Александр Рахманов. Ученые подтвердили 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.