Ученые установили, что при температуре ниже 47 градусов Цельсия, ионы ванадия в тонкой пленке диоксида ванадия объединяются попарно в некую кристаллическую структуру, при этом связанные с ними электроны перестают проводить ток.
Проводимость может быть восстановлена, если приложить положительное напряжение к поверхности пленки. Приложенное электрическое поле вызывает движение электронов и восстанавливает «высокотемпературную структуру», определяющую металлические свойства пленки.
Таким образом, транзистор, изготовленный на основе диоксида ванадия, представляет собой элементарный «выключатель». Если напряжение приложено к поверхности полупроводника, то ток протекает через транзистор, если полярность напряжения изменена — ток прекращается. Исследователи десятилетиями пытались добиться эффекта превращения металлических оксидов из изоляторов в проводники с помощью приложенного к ним напряжения, но смогли добиться такого изменения только для очень тонких пленок, размером с несколько атомных слоев.
Недавно, Масаки Накано (Masaki Nakano) с коллегами из японского Института физико-химических исследований (RIKEN Advanced Science Institute), находящегося в Вако (Wako), установили, что, если приложить напряжение к пленке диоксида ванадия, толщиной несколько десятков нанометров, то это вызывает превращение ее, из изолятора в металл, по всему объему. Открытые необычные свойства материала могут привести к появлению «умных» технологий.
Поведение электронов в оксидах переходных металлов может управляться изменением химического состава материала или его температуры. Например, диоксид ванадия является изолятором при комнатной температуре, но его нагрев, или замещение небольшой части атомов ванадия на атомы вольфрама (доноров электронов), приводит к фазовому переходу и превращению его в металл.
Ученые предположили, что эффект появления проводящего заряда будет ограничен всего несколькими атомными слоями, непосредственно у поверхности пленки, так как избыток электронов в этом районе будет компенсировать приложенное поле и вызывать «экранирование» остальной области. Но даже в этом случае происходит изменение кристаллической структуры материала вызывающее появление металлических свойств. Причем это «искажение решетки» распространяется на весь объем пленки, за счет чего ее электрическое сопротивление уменьшается в 100 раз.
Исследователи активно ищут другие материалы, аналогичные по свойствам диоксиду ванадия, а также анализируют все возможности технологического применения их открытия. Одним из таких воплощений может быть выключатель, реагирующий на тепло, так как его температура будет определять, является ли он металлом или диэлектриком, а, соответственно, может изменяться частота света, отражаемого или поглощаемого материалом.
Читайте также: Новости России и мира.