Исследователи из МФТИ и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН показали, каким образом пленки диоксида ванадия переходят в проводящее состояние. Результаты работы помогут сделать тепловизоры дешевле, чувствительнее и повысить их разрешающую способность. Статья об этом опубликована в журнале Physical Review B.

Пленки диоксида ванадия (VO₂) в своем обычном виде не способны проводить электрический ток. Однако если их немного нагреть, то сопротивление материала уменьшается до ста тысяч раз. Нагреть пленку до таких температур можно, если, например, подать на нее напряжение. Это свойство очень полезно для создания высокоскоростных переключаемых устройств и датчиков постоянного тока или переменного сигнала терагерцового, микроволнового, оптического и инфракрасного диапазонов.

Ученые еще в середине прошлого века показали, что пленки VO₂ могут переходить в проводящее состояние. Но точный механизм такого перехода физикам до сих пор известен не был. Тем не менее, знание такого механизма поможет синтезировать материалы с новыми интересными свойствами. Например, тонкие пленки с заданными физическими характеристиками: температурой перехода в проводящее состояние или отношением сопротивления 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», — объясняет один из исследователей, аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау Виктор Полозов.

Ученые выдвинули предположение, что изменение состояния ванадиевой тонкой пленки происходит в несколько этапов. Согласно российским ученым, сначала материал нагревается и в каких-то его местах возникают проводящие области. После этого такие области образуют канал, из-за которого вся пленка переходит в проводящее состояние. Если продолжать нагрев, то такой канал расширяется, а сопротивление пленки падает. Такой процесс называется «режим с обострением». Ранее ученые уже находили процессы подобного рода в других материалах. Например, в высокотемпературных сверхпроводниках при переходе «проводник — сверхпроводник».

Чтобы показать, что в ванадиевых пленках при нагреве наблюдается тот же сценарий, исследователи объединили теорию с экспериментальными данными. Для этого на первом этапе авторы синтезировали пленки с различными свойствами, а затем провели измерения вольт-амперной характеристики и температурной зависимости сопротивления.

Затем, используя готовые модели описания процессов с обострением, исследователи смоделировали в теории температурную модель сопротивления и вольт-амперную характеристику (ВАХ) пленок. В результате физики показали, что такой механизм смены состояний универсален — то есть все тонкие пленки VO₂ становятся проводящими при нагревании именно таким образом.