Физики из МФТИ научились моделировать проводимость плёнок диоксида ванадия –материала для детекторов тепловизионных приборов.

Нагретые предметы или, если говорить на языке физики, «тела», испускают инфракрасные волны, и чем горячее тело, тем ярче оно «светится». Если бы наши глаза могли видеть инфракрасный свет, это дало бы нам неплохие шансы избежать некоторых не очень приятных ситуаций. Например, случайно не дотронуться до горячего утюга или даже не наступить в темноте на любимого кота.

Увидеть невидимое инфракрасное излучение нам помогают специальные приборы – тепловизоры. С помощью этих устройств можно не только наблюдать в темноте за домашними и дикими кошачьими, но и использовать их для поиска пострадавших в чрезвычайных ситуациях, находить источники пожаров и многое другое. На многие беспилотные автомобили устанавливаются инфракрасные камеры, помогающие «электрическому» водителю вовремя замечать живые объекты и «видеть» сквозь туман или дождь.

Существующие тепловизионные приборы по типу работы можно разделить на два класса: на основе фотонных детекторов и на основе тепловых детекторов – микроболометров. Детекторы первого типа непосредственно фиксируют попавшее на них излучение инфракрасного диапазона, как камера самого обычного смартфона фиксирует видимый свет. А вот микроболометры устроены чуть более хитро, и, в отличие от фотонных детекторов, в прямом смысле «чувствуют» тепло. Делают они это с помощью микроскопических резисторов, изготовленных из материала с очень малой теплоёмкостью и очень большим температурным коэффициентом сопротивления.

Падающий инфракрасный свет чуть-чуть нагревает такой резистор, из-за чего меняется его электрическое сопротивление, которое можно измерить, оцифровать и, преобразовав сигналы от матрицы таких детекторов, получить тепловое изображение объекта. Другими словами, излучающий инфракрасные волны (или попросту тепло) объект способен одним своим «видом» нагреть на расстоянии чувствительные элементы тепловизионной системы. Зарегистрировать такие тонкие эффекты можно, если использовать определённые материалы, один из которых – это диоксид ванадия (VO₂).

Тонкие — примерно 100 нм — плёнки диоксида ванадия в обычном состоянии не проводят электрический ток. При небольшом нагреве сопротивление падает — может уменьшиться даже в сто тысяч раз. Так нагреться плёнка может, например, когда на неё 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 из МФТИ и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН узнали, как именно плёнки диоксида ванадия становятся проводящими.