I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Istituto RAS per l'elettromagnetismo teorico e applicato hanno scoperto cosa fa sì che i film di biossido di vanadio conducano l'elettricità. Pubblicato in Revisione fisica B , i loro risultati consentiranno dispositivi di imaging termico con una sensibilità e una velocità di reazione superiori a quelle degli analoghi attualmente esistenti.

Mentre film sottili da 100 nanometri di biossido di vanadio (VO ₂ ) non conducono normalmente elettricità, la loro resistenza scende fino a 100, 000 volte quando leggermente riscaldato. Ciò può accadere sotto tensione applicata, Per esempio. Questa proprietà viene utilizzata per creare dispositivi e sensori commutabili ad alta velocità per segnale in corrente continua o alternata nel terahertz, microonde, ottico, o gamma a infrarossi.

Gli scienziati dei materiali hanno scoperto VO ₂ i film potrebbero diventare conduttivi a metà del 20 ° secolo. Fino ad ora, il meccanismo preciso dietro il cambiamento nelle proprietà elettriche del materiale era sconosciuto. La consapevolezza di tale meccanismo consente la progettazione dei materiali orientata all'applicazione. Ciò include la sintesi di film sottili con proprietà predefinite, come la temperatura alla quale cambia la conduttività o il rapporto tra le resistenze prima e dopo il riscaldamento.

"Tra le cose più utili per cui questi film potrebbero essere preziosi ci sono i sensori per bolometri non raffreddati. I bolometri sono alla base dei sistemi di imaging termico. VO ₂ i film possono aumentare la loro sensibilità e velocità di reazione, estendendo la loro applicabilità agli oggetti in rapido movimento, ", ha commentato il coautore dello studio e dottorando del MIPT Viktor Polozov della Landau School of Physics and Research dell'università.

I ricercatori del MIPT hanno proposto uno scenario per un VO ₂ transizione del film tra lo stato isolante e quello conduttivo. Innanzitutto il film si riscalda e in esso emergono sporadicamente aree conduttive. Poi quelle aree diventano collegate, trasformandosi in un canale che fa condurre corrente al film. Un ulteriore riscaldamento allarga il canale, riducendo la resistenza del film.

Questo processo avviene tramite un cosiddetto regime di esplosione. Osservazioni simili sono già state fatte in altri materiali. Per esempio, questo regime è caratteristico anche per la transizione superconduttiva nei superconduttori ad alta temperatura.

Per dimostrare che VO ₂ i film subiscono un processo simile, i ricercatori russi hanno fatto affidamento su una combinazione di teoria ed esperimento. Da una parte, hanno usato i modelli disponibili che descrivono i processi che si verificano nel regime di esplosione per prevedere teoricamente le caratteristiche di corrente-tensione dei film e come la resistenza dovrebbe variare con la temperatura. D'altra parte, il team ha sintetizzato i propri film con proprietà distinte e ne ha misurato i parametri sperimentalmente.

"I calcoli teorici concordavano con i risultati sperimentali, e questo era vero per film di diverse strutture depositati su diversi substrati. Questo ci ha portato a concludere che il meccanismo coinvolto è universale, cioè spiega la conducibilità indotta termicamente in tutti i VO . sottili ₂ film, " ha affermato il professor Alexander Rakhmanov della Landau School of Physics and Research del MIPT, che ha co-autore dello studio.

I ricercatori hanno confermato la loro ipotesi sulla transizione in VO ₂ essendo caratterizzato da un regime di esplosione. Ora che sanno che questo meccanismo è alla base della transizione, il team può modellare quel processo. Questo sarà il fulcro della loro ricerca futura.