Ученые Институт общей физики им. А.М. Прохорова и МФТИ с коллегами подробно измерили электрические свойства пленки диоксида ванадия (VO₂) в широком диапазоне частот. Полученные результаты расширяют границы применения пленки VO₂ в оптоэлектронных приложениях. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.
Диоксид ванадия — перспективный материал для микроэлектроники, оптоэлектротехники и оптотехники. Он обладает обратимым переходом изолятор-металл, который происходит при температуре ≃ 67 ℃. Это значит, что до температуры перехода материал слабо проводит электричество, но при дальнейшем нагреве в нем наблюдается резкий скачок проводимости. Эта особенность объясняется изменением кристаллической решетки. Такое свойство материала применимо для создания адаптивных оптических фильтров и модуляторов. Переход из изолятора в металл диоксида ванадия происходит за наносекунды, поэтому этот материал является подходящим для нейроморфных вычислений. Отсутствие в научной литературе данных о широкополосном электродинамическом отклике диоксида ванадия побудило коллектив исследователей из России и Китая изучить этот вопрос.
Рисунок. Образцы пленки VO2 толщиной 200 нм на сапфировой подложке толщиной 0,5 мм: (a), (b) схемы изолирующей моноклинной и проводящей тетрагональной структур VO2, наблюдаемых ниже и выше температуры перехода, соответственно; (c) фотография образца; (d) Рамановская спектроскопия образца, где заостренные пики соответствуют преобладающей моноклинной фазе VO2; (e), (f) сканирующая электронная микроскопия образца, подчеркивающая его поликристаллическую структуру. Источник: журнал Scientific Reports.
Чтобы решить поставленную задачу, физики изготовили тонкие пленки диоксида ванадия. Для изучения диэлектрической проницаемости и проводимости материала исследователи использовали инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье, терагерцовую импульсную спектроскопию и четырехконтактный метод.
«Эти методы взаимодополняют друг друга и позволяют получить спектры в широком диапазоне частот. Такой подход значительно повышает точность полученных нами оценок диэлектрических и оптических характеристик», — пояснила Мария Бурданова, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ.
Результаты исследования показали, что при снижении атмосферного давления температура перехода увеличивается с 66–70 ℃ до 77–84 ℃. Наиболее вероятное объяснение связано с тепловыми эффектами, а не с изменением свойств материала.
«Мы предполагаем, что основным фактором являются особенности теплоотвода от пленки в зависимости от разреженности окружающей среды. Такие особенности важно учитывать при проектировании устройств на основе фазовых переходов VO₂ в условиях разреженности окружающей среды, в том числе в электро-вакуумной технике», — рассказал Арсений Гавдуш, старший научный сотрудник отдела субмиллиметровой спектроскопии ИОФ РАН.
Электродинамический отклик пленки диоксида ванадия (комплексная диэлектрическая проницаемость) был описан с помощью суперпозиции модельных вкладов Лоренца и Друде. Модель Друде хорошо характеризует отклик в области низких частот, где важно учесть электропроводность, то есть движение свободных электронов. Модель Лоренца используется в высокочастотной области, где необходимо учитывать ряд резонансных взаимодействий в пленке.
Суперпозиция этих моделей позволяет определить электродинамический отклик материала в широком спектральном диапазоне и выделить вклады различных механизмов его формирования. Исследователи вычислили вклады свободных носителей заряда и оптических фононных мод, рассчитали электрические параметры свободных зарядов в металлической фазе VO₂ при различных температурах.
«Оцененные значения динамической проводимости позволяют нам сформировать рекомендации по толщине пленки VO₂ и рабочей температуре для ТГц оптоэлектронных приложений», — прокомментировал Геннадий Командин, ведущий научный сотрудник ИОФ РАН.
Одним из наиболее перспективных применений VO₂ в оптоэлектронных устройствах являются модуляторы, запоминающие устройства и дифракционные элементы. Учитывая температурную зависимость перехода изолятор-металл, возможно использование пленок этого материала для создания температурных датчиков и датчиков давления.
В работе принимали участие ученые из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Института общей физики им А. М. Прохорова РАН, Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН и Сычуаньского университета (Китай).
