Forskare från Moskvas institut för fysik och teknik och RAS Institute for Theoretical and Applied Electromagnetics har upptäckt vad som får vanadindioxidfilmer att leda elektricitet. Publicerad i Fysisk granskning B , deras resultat kommer att möjliggöra värmeavbildningsanordningar med en känslighet och reaktionshastighet som är överlägsen de för närvarande existerande analoger.

Medan 100 nanometer tunna filmer av vanadindioxid (VO ₂ ) leder normalt inte elektricitet, deras motstånd sjunker upp till 100, 000 gånger vid svag uppvärmning. Detta kan hända under pålagd spänning, till exempel. Den egenskapen används för att skapa höghastighetsväxlingsbara enheter och sensorer för likström eller växelsignal i terahertz, mikrovågsugn, optisk, eller infraröd räckvidd.

Materialforskare hittade VO ₂ filmer kan bli ledande i mitten av 1900-talet. Tills nu, den exakta mekanismen bakom förändringen i materialets elektriska egenskaper var okänd. Att vara medveten om den mekanismen möjliggör applikationsorienterad materialdesign. Det inkluderar syntes av tunna filmer med fördefinierade egenskaper, såsom temperaturen vid vilken konduktiviteten ändras eller förhållandet mellan resistanserna före och efter uppvärmning.

"Bland de mest användbara sakerna som dessa filmer kan vara värdefulla för är sensorer för okylda bolometrar. Bolometrar ligger bakom värmeavbildningssystem. VO ₂ filmer kan öka sin känslighet och reaktionshastighet, utökar deras tillämpbarhet till snabbt rörliga föremål, " kommenterade studiens medförfattare och MIPT doktorand Viktor Polozov vid universitetets Landau School of Physics and Research.

MIPT-forskare föreslog ett scenario för en VO ₂ filmövergång mellan det isolerande och det ledande tillståndet. Först värms filmen upp och ledande områden kommer sporadiskt fram i den. Då blir dessa områden länkade, förvandlas till en kanal som gör att filmen leder ström. Ytterligare uppvärmning vidgar kanalen, minskar filmens motstånd.

Denna process sker via en så kallad blow-up-regim. Liknande observationer har redan gjorts i andra material. Till exempel, denna regim är också karakteristisk för supraledande övergång i högtemperatursupraledare.

För att bevisa att VO ₂ filmer genomgår en liknande process, de ryska forskarna förlitade sig på en kombination av teori och experiment. Å ena sidan, de använde de tillgängliga modellerna som beskriver processer som inträffar i uppblåsningsregimen för att teoretiskt förutsäga filmernas ström-spänningsegenskaper och hur motståndet bör variera med temperaturen. Å andra sidan, teamet syntetiserade sina egna filmer med distinkta egenskaper och mätte deras parametrar experimentellt.

"De teoretiska beräkningarna stämde överens med de experimentella resultaten, och det gällde filmer av olika strukturer avsatta på olika substrat. Detta fick oss att dra slutsatsen att den involverade mekanismen är universell - det vill säga det förklarar termiskt inducerad konduktivitet i alla tunna VO ₂ filmer, " sa professor Alexander Rakhmanov vid Landau School of Physics and Research vid MIPT, som var medförfattare till studien.

Forskarna bekräftade sin hypotes om övergången i VO ₂ kännetecknas av en sprängning. Nu när de vet att denna mekanism ligger till grund för övergången, teamet kan modellera den processen. Detta kommer att vara fokus för deras framtida forskning.