Как тонкая пленка VO₂ может изменить будущее оптоэлектроники

Исследователи из ИОФ РАН, МФТИ и их зарубежные коллеги провели комплексное исследование электрических свойств пленки диоксида ванадия (VO₂) — материала, способного кардинально менять свое поведение при нагревании. Результаты, опубликованные в Scientific Reports, открывают новые горизонты для его применения в оптоэлектронике.

Диоксид ванадия — материал с эффектным свойством: при температуре около 67 °C он мгновенно переходит из состояния изолятора в металл. Это сопровождается скачком проводимости и изменением кристаллической структуры. Такая способность делает VO₂ привлекательным для создания «умных» оптических фильтров, модуляторов и даже нейроморфных вычислительных устройств. Однако до сих пор было мало данных о его поведении в широком диапазоне частот.

Чтобы восполнить этот пробел, ученые изготовили тонкие пленки VO₂ и применили три метода анализа: инфракрасную Фурье-спектроскопию, терагерцовую импульсную спектроскопию и четырехконтактные измерения. Это позволило им охватить широкий спектральный диапазон и повысить точность измерений.
«Совмещение этих методов дает нам гораздо более полное представление о поведении материала, — объясняет Мария Бурданова, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ. — Мы теперь точно знаем, как изменяется диэлектрическая проницаемость и проводимость VO₂ в зависимости от условий».

Один из интересных эффектов — смещение температуры перехода при снижении давления. При пониженном давлении он начинался не при привычных 66–70 °C, а при 77–84 °C. Ученые объясняют это не свойствами самого материала, а особенностями теплоотвода.
«В условиях разреженной среды охлаждение происходит иначе, — комментирует Арсений Гавдуш из ИОФ РАН. — Это нужно учитывать при разработке вакуумных и космических устройств».

Для описания электродинамического отклика VO₂ исследователи использовали сочетание двух моделей — Лоренца и Друде. Первая описывает поведение на высоких частотах, где важны оптические резонансы, вторая — на низких, где доминируют свободные электроны. Их комбинация позволила детально рассчитать вклад каждого физического механизма в поведение материала и определить параметры для практического использования.
«Мы получили данные, на основе которых можно точно подобрать толщину пленки и рабочую температуру для ТГц-устройств», — отмечает Геннадий Командин, ведущий научный сотрудник ИОФ РАН.

Среди перспективных применений VO₂ — модуляторы, элементы памяти и дифракционные устройства. Благодаря температурно-зависимому фазовому переходу, материал можно использовать и для сенсоров — например, для измерения температуры или давления.

В исследовании участвовали специалисты из МФТИ, ИОФ РАН, ИСВЧПЭ РАН и Сычуаньского университета (Китай). Работа поднимает важные вопросы о свойствах VO₂ в реальных условиях и помогает сделать ещё один шаг к новым технологиям в оптоэлектронике.

Источник: Физики изучили свойства пленки диоксида ванадия для оптоэлектроники — За науку