Благодаря систематическому исследованию фазовых переходов в диоксиде ванадия разрешился вопрос, мучавший ученых многие десятилетия, сообщают исследователи Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США.

Известно, что диоксид ванадия демонстрирует несколько конкурирующих фаз, когда выступает как изолятор при пониженных температурах. Однако истинная природа фазового поведения оставалась непонятной, хотя изучение VO₂ началось еще в начале 60-х годов прошлого века.

Александр Целев (Alexander Tselev), научный сотрудник Университета Теннесси в г.Ноксвилл (США), работающий в Центре изучения нанофазных материалов Окриджской национальной лаборатории, в сотрудничестве с Игорем Лукьянчуком (Igor Luk'yanchuk) из Университета Пикардии имени Жюля Верна во Франции использовали положения физики конденсированного состояния, чтобы объяснить наблюдаемое фазовое поведение диоксида ванадия, представляющего значительный интерес для оптики и электроники.

Мы узнали, что конкуренция между несколькими фазами полностью зависит от симметрии решетки, – сказал Целев. – Мы также выяснили, что решетка металлической фазы диоксида ванадия, охлаждаясь, может сгибаться в разные стороны, поэтому то, что наблюдали ранее, представляло собой различные типы складывания».

Диоксид ванадия знаменит быстротой и резкостью фазового перехода, который фактически превращает металл в изолятор. Этот фазовый переход возникает при 68 градусах по Цельсию.

Свойства электропроводности делают диоксид ванадия прекрасным кандидатом для множества применений в оптических, электронных и оптоэлектронных устройствах», – сказал Целев. Необычные свойства материала могут быть востребованы в лазерах, датчиках движения и давления, которым пойдет на пользу повышенная чувствительность, связанная с изменением свойств диоксида ванадия. Уже сейчас этот материал используется в инфракрасных датчиках.

В физике вы всегда хотите понять, как работает материал, – сказал Сергей Калинин, старший научный сотрудник Центра изучения нанофазных материалов. – Благодаря учению о термодинамике, можно спрогнозировать поведение материалов при различных внешних условиях».

По мнению исследователей, их теоретическая работа окажет помощь в проведении будущих исследований диоксида ванадия и будет способствовать развитию новых технологий на его основе.

В рамках данной работы ученые развивают предыдущие эксперименты с СВЧ-визуализацией, которые проводились в Окриджской национальной лаборатории. Они показали, как деформация (растяжение) симметрии кристаллической решетки может привести к созданию тонких проводящих проводов в наноразмерных образцах диоксида ванадия.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Американского химического общества Nano Letters. В работе принимали участие Илья Иванов (lia Ivanov), Джон Будай (John Budai) и Джонатан Тишлер (Jonathan Tischler) из ОНЛ (Окрд.нац.лаб.) и Евгений Стрельцов (Evgheni Strelcov) и Андрей Колмаков (Andrei Kolmakov) из Университета Южного Иллинойса.

Рис. 1. Образец диоксида ванадия. Изображение Oak Ridge National Laboratory.