Forskere afslører hemmeligheden bag materiale til lovende infrarøde kameraer

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi og RAS Institute for Theoretical and Applied Electromagnetics har opdaget, hvad der får vanadiumdioxidfilm til at lede elektricitet. Udgivet i Fysisk gennemgang B , deres resultater vil muliggøre termiske billedbehandlingsenheder med en følsomhed og reaktionshastighed, der er bedre end de nuværende analoger.

Mens 100 nanometer tynde film af vanadiumdioxid (VO ₂ ) normalt ikke leder elektricitet, deres modstand falder op til 100, 000 gange ved let opvarmning. Dette kan ske under påført spænding, for eksempel. Denne egenskab bruges til at skabe højhastigheds-omskiftelige enheder og sensorer til jævnstrøm eller vekselsignal i terahertz, mikroovn, optisk, eller infrarød rækkevidde.

Materialeforskere fandt VO ₂ film kunne blive ledende i midten af ​​det 20. århundrede. Indtil nu, den præcise mekanisme bag ændringen i materialets elektriske egenskaber var ukendt. At være opmærksom på denne mekanisme muliggør anvendelsesorienteret materialedesign. Det inkluderer syntese af tynde film med foruddefinerede egenskaber, såsom den temperatur, hvor ledningsevnen ændres, eller forholdet mellem modstandene før og efter opvarmning.

"Blandt de mest nyttige ting, som disse film kunne være værdifulde for, er sensorer til ukølede bolometre. Bolometre ligger til grund for termiske billeddannelsessystemer. VO ₂ film kan øge deres følsomhed og reaktionshastighed, udvide deres anvendelighed til hurtigt bevægende genstande, " kommenterede undersøgelsens medforfatter og MIPT doktorand Viktor Polozov fra universitetets Landau School of Physics and Research.

MIPT-forskere foreslog et scenarie for en VO ₂ filmovergang mellem den isolerende og den ledende tilstand. Først varmes filmen op, og ledende områder dukker sporadisk op i den. Så bliver disse områder forbundet, bliver til en kanal, der får filmen til at lede aktuelt. Yderligere opvarmning udvider kanalen, reducerer filmens modstand.

Denne proces sker via et såkaldt blow-up-regime. Lignende observationer er allerede blevet gjort i andre materialer. For eksempel, dette regime er også karakteristisk for den superledende overgang i højtemperatursuperledere.

For at bevise, at VO ₂ film gennemgår en lignende proces, de russiske forskere stolede på en kombination af teori og eksperiment. På den ene side, de brugte de tilgængelige modeller, der beskriver processer, der forekommer i opblæsningsregimet, til teoretisk at forudsige filmenes strøm-spændingsegenskaber, og hvordan modstanden skulle variere med temperaturen. På den anden side, holdet syntetiserede sine egne film med forskellige egenskaber og målte deres parametre eksperimentelt.

"De teoretiske beregninger stemte overens med de eksperimentelle resultater, og det var sandt om film af forskellige strukturer afsat på forskellige substrater. Dette fik os til at konkludere, at den involverede mekanisme er universel - dvs. det forklarer termisk induceret ledningsevne i alt tyndt VO ₂ film, " sagde professor Alexander Rakhmanov fra Landau School of Physics and Research ved MIPT, der var medforfatter til undersøgelsen.

Forskerne bekræftede deres hypotese om overgangen i VO ₂ kendetegnet ved et sprængningsregime. Nu hvor de ved, at denne mekanisme ligger til grund for overgangen, holdet kan modellere den proces. Dette vil være fokus for deres fremtidige forskning.