Ученые из научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы» БФУ имени И. Канта совместно с коллегами из Ирландии и Германии нашли способ синтезировать тонкие пленки оксида титана Ti₂O₃. Некоторые из полученных материалов сильно отличаются от объемных собратьев и стабильно держат необходимую проводимость в большем диапазоне температур. В будущем они позволят создать независимые от температуры эффективные катализаторы.

Результаты опубликованы в журнале Thin Solid Films.

Некоторые оксиды титана известны своими уникальными свойствами, например высокой фотокаталитической активностью: они эффективно используют свет для ускорения химических реакций. Также покрытия на основе оксидов титана способны самоочищаться при освещении. Более того, они могут найти потенциальное применение для избавления воздуха и воды от вредных соединений, а также для опреснения морской воды.

Недавно такую способность нашли и у наноматериалов на основе оксида титана (III). Помимо прочего, оксид титана (III) может совершать фазовый переход полупроводник — металл. Суть этого перехода в том, что при нагревании он резко увеличивает свою электрическую проводимость. При этом изменяется не только величина проводимости, но и положения атомов друг относительно друга. Поиск подобных закономерностей «структура — свойство» — одна из важнейших задач фундаментальной науки.

В этой работе авторы использовали метод магнетронного напыления для получения тонких пленок оксидов титана. Иначе говоря, ученые бомбардировали титановую мишень заряженными частицами. Выбиваемые из нее атомы осаждались на специальной подложке и реагировали со свободными радикалами кислорода, которые образовались при столкновении молекул кислорода с заряженными частицами. Реакция приводила к образованию тонких оксидных пленок. В зависимости от концентрации кислорода в среде и температуры подложки удалось получить оксиды титана TiO, Ti₂O₃ и TiO₂.

Среди них были две совершенно разные структуры Ti₂O₃, отличающиеся по расположению атомов в решетке кристалла. Одна из них — тригональная, как у корунда — минерала алюминия; другая — ромбическая, причем ее удалось получить в чистом виде. Для этого исследователи модифицировали метод напыления: использовали не металлический титан, а его оксид для выбивания атомов в среде полностью без кислорода.

Ученые исследовали свойства разных типов оксида титана (III). Они выявили отличия ромбической структуры, полученной магнетронным напылением, от другой, описанной в 2017 году. Пленка, сделанная авторами, оставалась полупроводником во всем диапазоне исследованных температур (от –268 °С до 300 °С), тогда как ранее описанная структура становилась проводником при температурах выше 100 °С и сверхпроводником при температурах, близких к абсолютному нулю (ниже –265 °С). Вместе с тем выяснилось, что проводимость другой, корундоподобной, пленки так же хороша, как и у нагретого до 170–200 °С объемного кристалла Ti₂O₃, обладающего при этих температурах свойствами металла. Однако корундоподобная пленка сохраняет такую высокую проводимость в диапазоне от нескольких сот градусов Цельсия до –268 °С.

«По сравнению с известными структурами, созданными другими методами, наши поддерживают свои свойства в более широком диапазоне температур. Так, корундоподобная пленка остается металлическим проводником при низких температурах, а ромбическая — полупроводником при высоких», — отмечает один из исследователей, старший научный сотрудник НОЦ «Функциональные наноматериалы» БФУ Петр Швец.