Физики из МФТИ научились моделировать проводимость плёнок диоксида ванадия –материала для детекторов тепловизионных приборов.

Нагретые предметы или, если говорить на языке физики, «тела», испускают инфракрасные волны, и чем горячее тело, тем ярче оно «светится». Если бы наши глаза могли видеть инфракрасный свет, это дало бы нам неплохие шансы избежать некоторых не очень приятных ситуаций. Например, случайно не дотронуться до горячего утюга или даже не наступить в темноте на любимого кота.

Термограмма или изображение объекта в инфракрасных лучах, полученное с помощью микроболометрического детектора. Фото: yellowcloud/Flickr.com

Увидеть невидимое инфракрасное излучение нам помогают специальные приборы – тепловизоры. С помощью этих устройств можно не только наблюдать в темноте за домашними и дикими кошачьими, но и использовать их для поиска пострадавших в чрезвычайных ситуациях, находить источники пожаров и многое другое. На многие беспилотные автомобили устанавливаются инфракрасные камеры, помогающие «электрическому» водителю вовремя замечать живые объекты и «видеть» сквозь туман или дождь.

Существующие тепловизионные приборы по типу работы можно разделить на два класса: на основе фотонных детекторов и на основе тепловых детекторов – микроболометров. Детекторы первого типа непосредственно фиксируют попавшее на них излучение инфракрасного диапазона, как камера самого обычного смартфона фиксирует видимый свет. А вот микроболометры устроены чуть более хитро, и, в отличие от фотонных детекторов, в прямом смысле «чувствуют» тепло. Делают они это с помощью микроскопических резисторов, изготовленных из материала с очень малой теплоёмкостью и очень большим температурным коэффициентом сопротивления.

Падающий инфракрасный свет чуть-чуть нагревает такой резистор, из-за чего меняется его электрическое сопротивление, которое можно измерить, оцифровать и, преобразовав сигналы от матрицы таких детекторов, получить тепловое изображение объекта. Другими словами, излучающий инфракрасные волны (или попросту тепло) объект способен одним своим «видом» нагреть на расстоянии чувствительные элементы тепловизионной системы. Зарегистрировать такие тонкие эффекты можно, если использовать определённые материалы, один из которых – это диоксид ванадия (VO₂).

Тонкие — примерно 100 нм — плёнки диоксида ванадия в обычном состоянии не проводят электрический ток. При небольшом нагреве сопротивление падает — может уменьшиться даже в сто тысяч раз. Так нагреться плёнка может, например, когда на неё подадут напряжение. Это свойство используют при разработке высокоскоростных переключаемых устройств и датчиков для постоянного тока или переменного сигнала терагерцового, микроволнового, оптического и инфракрасного диапазонов.

Исследователи из МФТИ и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН узнали, как именно плёнки диоксида ванадия становятся проводящими. Это позволит удешевить тепловизоры на основе таких пленок, увеличить их чувствительность и разрешение. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.

Саму способность плёнок VO₂ становиться проводящими обнаружили ещё в середине прошлого века. Но до сих пор точный механизм изменения свойств материала был неизвестен. Если точно знать механизм процесса, то можно, например синтезировать тонкие плёнки с заданными заранее свойствами: температурой, при которой меняются проводящие свойства, или отношением сопротивлений до и после нагревания.

«Одна из самых полезных вещей, которую можно делать из такой плёнки, — это чувствительные элементы для неохлаждаемого болометра.Болометр — основа тепловизора. Применение пленок VO2 позволит удешевить тепловизоры, увеличить их чувствительность и разрешение», — комментирует Виктор Полозов, аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау.

Исследователи из МФТИ предположили, что смена состояния плёнки VO₂ происходит по следующему сценарию: сначала плёнка нагревается, в каких-то местах её возникают проводящие области. Затем проводящие области образуют канал, благодаря которому плёнка становится проводящей. При дальнейшем нагреве этот канал расширяется, а сопротивление плёнки — уменьшается.

Этот процесс называется «режим с обострением». Подобные процессы раньше уже обнаруживали и в других материалах. Например, он имеет место в высокотемпературных сверхпроводниках в переходе «проводник — сверхпроводник». Чтобы доказать, что в плёнках VO₂ при нагреве реализуется такой же сценарий, учёные объединили теоретический и экспериментальный подход.

С одной стороны, исследователи синтезировали плёнки с различными свойствами, а потом измерили их вольт-амперную характеристику и температурную зависимость сопротивления. С другой стороны, используя готовые модели для описания процессов с обострением, они теоретически смоделировали температурную модель сопротивления и вольт-амперную характеристику плёнок.

«Теоретические расчёты совпали с экспериментальными, причём для плёнок с различной структурой, нанесённых на различные подложки. Мы сделали вывод, что данный механизм универсален — то есть все тонкие плёнки VO2 становятся проводящими при нагревании именно таким образом», — говорит Александр Рахманов, профессор кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники Физтех-школа физики и исследований им. Ландау.

Физики подтвердили своё предположение, что переход в VO₂ может быть описан как процесс в режиме с обострением. Зная, что переход происходит именно по такому механизму, исследователи могут моделировать данный процесс, чем и планируют заняться в рамках дальнейшей работы.

По материалам МФТИ