Ученые из МФТИ и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН узнали, как именно пленки диоксида ванадия становятся проводящими. Это позволит удешевить тепловизоры на основе таких пленок, повысить их чувствительность и разрешение.

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 позволит удешевить тепловизоры, увеличить их чувствительность и разрешение», — комментирует Виктор Полозов, аспирант Физтех-школы физики и исследований имени Ландау.

Пленки диоксида ванадия с зернистой структурой / ©journals.aps.org

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-школа физики и исследований имени 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.