В Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО
РАН ученые работают с необычным материалом — диоксидом ванадия, который
может изменить будущее электроники и вычислительной техники. Этот
материал переходит из диэлектрического в металлическое состояние и
обратно за сверхмалые времена. Благодаря таким свойствам возможно
трансформировать «архитектуру вычислений», что позволит увеличить
скорость «мышления» вычислительных машин.
Диоксид ванадия проявляет уникальные свойства. При воздействии на него
светом, теплом, электричеством и так далее происходит обратимый фазовый
переход, то есть из диэлектрика он становится металлом. При этом такой
переход может происходить за 10-13 секунд. А число переключений
состояния в наноразмерных кристаллах уже значительно превышает 1010 раз.
Изучением свойств диоксида ванадия и формированием уникальных
наноприборов на его основе занимаются в лаборатории физики и технологии
трехмерных наноструктур
ИФП СО РАН. Это направление было задано
несколько лет назад профессором, доктором физико-математических наук
Виктором Яковлевичем Принцем.

Для
приборов на основе диоксида ванадия нужна очень маленькая структура
этого материала — монокристалл размером около 80 нанометров и меньше,
потому что именно в таком виде вещество проявляет свои лучшие свойства.
Однако работать с одиночным элементом не так просто. Для практических
применений необходимо иметь упорядоченный массив таких кристаллов, что
никому в мире еще не удавалось сделать. В обычных условиях кристаллы
растут на подложке хаотично, и составить их в упорядоченную
последовательность невозможно. Поэтому, чтобы вырастить массив
упорядоченных наноразмерных монокристаллов, в лаборатории применили
новый метод — штамповую наноимпринтлитографию, которая работает по
принципу оттиска. С ее помощью ученые могут упорядоченно выращивать
диоксид ванадия по заданной схеме.
«В чистой комнате мы брали штамп с наноразмерными выступами и
кремниевую подложку, на которую нанесен специальный резист — защитный
материал. Комната должна быть абсолютно чистой, потому что даже малейшая
пылинка может сделать брак при отпечатке, — рассказывает научный
сотрудник
ИФП СО РАН Сергей Владимирович Мутилин. — На штампе есть
специальный рисунок из решеточек и квадратиков нанометровых размеров,
который мы отпечатываем на подложке. Рисунок зависит от того, что нам
нужно получить. После его нанесения мы формируем трехмерную поверхность
подложки с помощью травления кремния через полученную маску резиста. В
результате на подложке получаются нановыступы — места для роста будущих
кристаллов. Так мы избавляемся от хаотичного образования элементов,
потому что монокристаллы диоксида ванадия начинают расти по рисунку,
который мы отпечатали с помощью штампа».
Ученым требовался именно наноразмерный монокристалл диоксида ванадия,
потому что только он обладает нужным качеством для дальнейшей работы.
Из-за такой малой величины и чистого состава этот кристалл является
прочным: чем больше его размер, тем больше вероятность того, что в его
структуре будет брак, и он разрушится от внешнего воздействия. Нужную
кристаллическую структуру этого вещества получить достаточно сложно,
поэтому лаборатория сотрудничает с
Институтом неорганической химии им.
А. В. Николаева СО РАН, где происходит сам процесс выращивания
монокристаллов.
«Когда наши монокристаллы выросли, мы начали их изучать и доказали,
что, действительно, это — практически бездефектные монокристаллы, и,
кроме диоксида ванадия нужной нам фазы, там ничего больше нет. У него
замечательные свойства и его уже можно брать и применять», —
рассказывает Сергей Мутилин. Результат работы ученых попал на обложку
американского научного журнала AppliedPhysicsLetters (за 23 июля 2018).
Результат работы — упорядоченные монокристаллические нанопроволоки
У диоксида ванадия есть разные сферы применения. Например, его можно
использовать в инфракрасных фотодетекторах, которые по-другому
называются болометрами. В них находится матрица, которая позволяет
человеку смотреть распределение тепла в окружающей среде. Такие приборы
нужны для ориентации в пространстве: например, для солнечных батарей,
для измерения температуры чего-либо на расстоянии, в военной
промышленности и так далее. Элементы матрицы этих устройств состоят из
полупроводников. Недостаток тех проводников, которые сейчас используются
в матрице, заключается в том, что они требуют постоянного охлаждения,
для этого нужно применять жидкий азот. Диоксид ванадия же охлаждать не
нужно, этот элемент работает при комнатной температуре и имеет высокую
чувствительность.
«Для развития нужен прогресс в вычислительных мощностях компьютеров: в
плане нарастания объемов памяти, скорости вычисления и снижения
энергопотребления. У диоксида ванадия есть все шансы, чтобы потеснить
традиционный кремниевый транзистор, — говорит Сергей Мутилин. — За счет
особого взаимодействия электронов в нем, диоксид ванадия очень быстро
меняет свои свойства и при этом потребляет очень мало энергии, в отличие
от обычных транзисторов. Более того, сейчас ученые рассматривают
внедрение новой архитектуры чипа, где основным элементом выступает
диоксид ванадия, основанного на принципах работы человеческого мозга».
Однако о внедрении говорить пока рано, потому как разработки проходят
начальный этап. «Когда мы сможем рассказать про свойства этих кристаллов
больше, тогда, конечно, и интерес возрастет. После выхода нашей статьи в
журнале нам стали писать исследователи из различных стран с
предложениями о сотрудничестве», — отмечает С. Мутилин.
Подготовили Анастасия Фадеева и Мария Михайлова