Диоксид ванадия — материал для электроники следующего поколения

Одним из первых электронных компонентов, при помощи которого можно было управлять электрическим током, стало обычное электромагнитное реле. Через некоторое время на свет появился первый германиевый транзистор, более современные кремниевые аналоги которого работают во всех без исключения электронных устройствах.

А электроника следующего поколения может быть построена на основе других материалов, в частности диоксида ванадия (VO2). Ключевой особенностью этого материала является то, что он является диэлектриком при комнатной температуре и превращается в проводник при температуре свыше 68 градусов Цельсия. И такие материалы относятся к экзотическому классу переходных металлов-диэлектриков.

Ученым уже достаточно давно известно о необычных свойствах диоксида ванадия, но до последнего времени у них не было подходящих объяснений для этих свойств. Оказывается, что при повышении температуры изменяется кристаллическая структура этого материала, он переходит из прозрачной аморфной формы в металлическую токопроводящую форму при переходе через точку в 68 градусов. И самым замечательным является то, что такой переход осуществляется очень быстро, для этого требуется порядка одной наносекунды, что позволит использовать данное свойство диоксида ванадия в различных быстродействующих электронных устройствах.

«Помимо температуры, диоксид ванадия чувствителен к ряду других факторов, изменение фазы этого материала может происходить под влиянием электрического поля, света или электромагнитного излучения терагерцового диапазона» — рассказывает Адриан Ионеску (Adrian Ionescu), профессор из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL).

Однако, полное использование потенциала диоксида ванадия на самом деле является более сложным, чем кажется с первого взгляда. Ведь процессоры и другие высокоинтегрированные узлы современных электронных устройств работают при температурах, нередко доходящих до отметки в 100 градусов. В этом случае может помочь эффект, обнаруженный учеными ранее, оказывается, небольшая добавка германия в тонкую пленку диоксида ванадия повышает температуру фазового перехода этого материала до отметки, превышающей 100 градусов Цельсия.

Отметим, что элементы из диоксида ванадия уже были использованы в радиоэлектронике. Исследователи из лаборатории Nanolab создали сверхкомпактные модуляционные частотные фильтры, в которых используются ключи на основе эффекта фазовых переходов диоксида ванадия. Эти фильтры работают особо эффективно в Ka-диапазоне, между 28.2 и 35 ГГц, который интенсивно используется в системах космической связи.

Сделанные швейцарскими учеными открытия обеспечат дальнейший интерес ученых к использованию диоксида ванадия в качестве основы электронных устройств следующего поколения, отличающихся не очень высоким быстродействием, но очень высокой эффективностью с точки зрения требующегося для их работы количества энергии.

Исследователи предполагают, что устройства из диоксида ванадия могут стать основой новых нейроморфных процессоров, процессоров, принципы работы которых повторяют принципы работы головного мозга, высокочастотных радаров и лазерных сканеров для самоходных автомобилей-роботов.