Crédito: MIPT
Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y del Instituto RAS de Electromagnetismo Teórico y Aplicado han descubierto qué hace que las películas de dióxido de vanadio conduzcan electricidad. Publicado en Revisión física B, sus hallazgos permitirán dispositivos de imagen térmica con una sensibilidad y velocidad de reacción superiores a las de los análogos existentes actualmente.
Si bien las películas delgadas de 100 nanómetros de dióxido de vanadio (VO2) normalmente no conducen electricidad, su resistencia cae hasta 100.000 veces cuando se calientan ligeramente. Esto puede suceder bajo voltaje aplicado, por ejemplo. Esa propiedad se utiliza para crear dispositivos y sensores conmutables de alta velocidad para corriente continua o señal alterna en el rango de terahercios, microondas, óptico o infrarrojo.
Los científicos de materiales descubrieron que las películas de VO2 podrían volverse conductoras a mediados del siglo XX. Hasta ahora, se desconocía el mecanismo preciso detrás del cambio en las propiedades eléctricas del material. Ser consciente de ese mecanismo permite el diseño de materiales orientado a la aplicación. Eso incluye la síntesis de películas delgadas con propiedades predefinidas, como la temperatura a la que cambia la conductividad o la relación entre las resistencias antes y después del calentamiento.
“Entre las cosas más útiles para las que estas películas podrían ser valiosas se encuentran los sensores para bolómetros no refrigerados. Los bolómetros son la base de los sistemas de imágenes térmicas. Las películas de VO2 pueden aumentar su sensibilidad y velocidad de reacción, extendiendo su aplicabilidad a objetos que se mueven rápidamente ”, comentó el coautor del estudio y estudiante de doctorado del MIPT Viktor Polozov de la Escuela de Física e Investigación Landau de la universidad.
Los investigadores de MIPT propusieron un escenario para una transición de película de VO2 entre el estado aislante y el conductor. Primero, la película se calienta y esporádicamente emergen áreas conductoras. Entonces esas áreas se vinculan, convirtiéndose en un canal que hace que la película conduzca actual. El calentamiento adicional ensancha el canal, reduciendo la resistencia de la película.
Este proceso ocurre a través de un llamado régimen de explosión. Ya se han hecho observaciones similares en otros materiales. Por ejemplo, este régimen también es característico de la transición superconductora en superconductores de alta temperatura.
Para demostrar que las películas de VO2 se someten a un proceso similar, los investigadores rusos se basaron en una combinación de teoría y experimento. Por un lado, utilizaron los modelos disponibles que describen los procesos que ocurren en el régimen de explosión para predecir teóricamente las características de corriente-voltaje de las películas y cómo debería variar la resistencia con la temperatura. Por otro lado, el equipo sintetizó sus propias películas con propiedades distintas y midió sus parámetros experimentalmente.
“Los cálculos teóricos coincidieron con los hallazgos experimentales, y eso fue cierto sobre películas de diferentes estructuras depositadas sobre diferentes sustratos. Esto nos llevó a concluir que el mecanismo involucrado es universal, es decir, explica la conductividad inducida térmicamente en todas las películas delgadas de VO2 ”, dijo el profesor Alexander Rakhmanov de la Escuela de Física e Investigación Landau en MIPT, coautor del estudio.
Los investigadores confirmaron su hipótesis de que la transición en el VO2 se caracteriza por un régimen de explosión. Ahora que saben que este mecanismo subyace en la transición, el equipo puede modelar ese proceso. Este será el foco de sus investigaciones futuras.
Referencia: “Inestabilidad por sobrecalentamiento por explosión en películas delgadas de dióxido de vanadio” por VI Polozov, SS Maklakov, AL Rakhmanov, SA Maklakov y VN Kisel, 26 de junio de 2020, Revisión física B.
DOI: 10.1103 / PhysRevB.101.214310
