Фізики з МФТІ навчилися моделювати провідність пленок діоксиду ванадію - матеріалу для детекторів тепловізійних приладів.
Нагріті предмети або, якщо говорити мовою фізики, «тіла», випускають інфрачервоні хвилі, і чим гаряче тіло, тим яскравіше воно «світиться». Якби наші очі могли бачити інфрачервоне світло, це дало б нам непогані шанси уникнути деяких не дуже приємних ситуацій. Наприклад, випадково не доторкнутися до гарячої праски або навіть не наступити в темряві на улюбленого кота.
Побачити невидиме інфрачервоне випромінювання нам допомагають спеціальні прилади - тепловізори. За допомогою цих пристроїв можна не тільки спостерігати в темряві за домашніми і дикими котячими, а й використовувати їх для пошуку постраждалих у надзвичайних ситуаціях, знаходити джерела пожеж і багато іншого. На багато безпілотних автомобілів встановлюються інфрачервоні камери, що допомагають «електричному» водієві вчасно помічати живі об'єкти і «бачити» крізь туман або дощ.
Існуючі тепловізійні прилади за типом роботи можна розділити на два класи: на основі фотонних детекторів і на основі теплових детекторів - мікроболометрів. Детектори першого типу безпосередньо фіксують випромінювання інфрачервоного діапазону, що потрапило на них, як камера самого звичайного смартфона фіксує видиме світло. А ось мікроболометри влаштовані трохи більш хитро, і, на відміну від фотонних детекторів, в прямому сенсі «відчувають» тепло. Вони роблять це за допомогою мікроскопічних резисторів, виготовлених з матеріалу з дуже малою тепломісткістю і дуже великим температурним коефіцієнтом опору.
Падаюче інфрачервоне світло трохи нагріває такий резистор, через що змінюється його електричний опір, який можна виміряти, оцифрувати і, перетворивши сигнали від матриці таких детекторів, отримати теплове зображення об'єкта. Іншими словами, об'єкт, що випромінює інфрачервоні хвилі (або просто тепло), здатний одним своїм «видом» нагріти на відстані чутливі елементи тепловізійної системи. Зареєструвати такі тонкі ефекти можна, якщо використовувати певні матеріали, один з яких - це діоксид ванадію (VO2).
Тонкі - приблизно 100 нм - плівки діоксиду ванадію в звичайному стані не проводять електричний струм. При невеликому нагріванні опір падає - може зменшитися навіть у сто тисяч разів. Так нагрітися плівка може, наприклад, коли на неї подадуть напругу. Цю властивість використовують при розробці високошвидкісних перемиканих пристроїв і датчиків для постійного струму або змінного сигналу терагерцевого, мікрохвильового, оптичного та інфрачервоного діапазонів
. Дослідники з МФТІ та Інституту теоретичної і прикладної електродинаміки РАН дізналися, як саме плівки діоксиду ванадію стають провідними. Це дозволить здешевити тепловізори на основі таких плівок, збільшити їх чутливість і дозвіл. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review B
.Саму здатність плівок VO2 ставати провідними виявили ще в середині минулого століття. Але досі точний механізм зміни властивостей матеріалу був невідомий. Якщо точно знати механізм процесу, то можна, наприклад синтезувати тонкі плівки з заданими заздалегідь властивостями: температурою, за якої змінюються провідні властивості, або ставленням опорів до і після нагрівання
".Одна з найкорисніших речей, яку можна робити з такої плівки, - це чутливі елементи для неохолоджуваного болометра. Болометр - основа тепловізора. Застосування плівок VO2 дозволить здешевити тепловізори, збільшити їх чутливість і дозвіл ", - коментує Віктор Полозов, аспірант Фізтех-школи фізики і досліджень ім.Ландау.Дослідники
з МФТІ припустили, що зміна стану плівки VO2 відбувається за наступним сценарієм: спочатку плівка нагрівається, в якихось місцях її виникають провідні області. Потім провідні області утворюють канал, завдяки якому плівка стає провідною. При подальшому нагріванні цей канал розширюється, а опір плівки - зменшується.
Цей процес називається «режим із загостренням». Подібні процеси раніше вже виявляли і в інших матеріалах. Наприклад, він має місце у високотемпáних надпровідниках у переході «провідник - надпровідник». Щоб довести, що в плівках VO2 при нагріванні реалізується такий же сценарій, вчені об'єднали теоретичний і експериментальний підхід.
З одного боку, дослідники синтезували плівки з різними властивостями, а потім виміряли їх вольт-амперну характеристику і температурну залежність опору. З іншого боку, використовуючи готові моделі для опису процесів із загостренням, вони теоретично змоделювали температурну модель опору і вольт-амперну характеристику плівок.
"Теоретичні розрахунки збіглися з експериментальними, причому для пленок з різною структурою, нанесених на різні підкладки. Ми зробили висновок, що даний механізм універсальний - тобто всі тонкі плівки VO2 стають такими, що проводять при нагріванні саме таким чином ", - говорить Олександр Рахманов, професор кафедри електродинаміки складних систем і нанофотоники Фізтех-школа фізики і досліджень ім.Ландау.
Фізики підтвердили своє припущення, що перехід у VO2 може бути описаний як процес у режимі із загостренням. Знаючи, що перехід відбувається саме за таким механізмом, дослідники можуть моделювати цей процес, чим і планують зайнятися в рамках подальшої роботи.
За матеріалами МФТІ