​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.
 
Процесс штамповой литографииДля 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 
   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

Похожие новости

  • 09/06/2017

    Сибирские ученые участвуют в разработке нанолазеров для диагностики и лечения онкологических заболеваний

    ​Группа американских и российских ученых создала мельчайшие плазмонные нанолазеры (спазеры), которые найдут применение в диагностике и лечении онкологических заболеваний. Результаты работы опубликованы в Nature Communications.
    1955
  • 06/05/2019

    Ученые определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью синхротронного излучения

    ​​Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) при участии коллег из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАН) и Института ядерной физики им.
    837
  • 12/11/2018

    В Новосибирске создана установка по выращиванию кристаллов для экспериментов в физике частиц

    ​Сибирские ученые создали уникальную установку по выращиванию чистых кристаллов, подходящих для экспериментов в области физики заряженных частиц. Оригинальная технология позволяет не только повысить качество, но и существенно удешевить производство.
    991
  • 03/08/2017

    Сибирские ученые увеличат силу воздействия лекарств

    Каждый астматик знает: самый простой способ купировать приступ — использовать ингалятор. Однако у дозирующего аэрозольного ингалятора доля лекарства, попадающего в легкие, составляет около 20 % — получается, остальные 80 % теряются на пути к цели.
    1248
  • 03/09/2018

    Ученые рассчитали параметры устойчивости гибридных фотоэлектрических наноматериалов

    ​​Сибирские ученые совместно с иностранными коллегами рассчитали, какие параметры влияют на силу взаимодействия углеродных нанотрубок с фталоцианинами – сложными азотсодержащими соединениями. Гибридные конструкции на их основе можно использовать в качестве новых материалов для создания солнечных батарей, сенсоров и оптических приборов.
    1095
  • 25/09/2020

    Третья Всероссийская конференция «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» (МИССФМ-3) успешно прошла на базе ИК СО РАН

    Третья Всероссийская конференция «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» (МИССФМ-3) проходила 1-4 сентября 2020 года. Организаторами конференции выступили ИК СО РАН совместно с ИЯФ СО РАН, ИНХ СО РАН, НИОХ СО РАН, Научным советом по катализу ОХНМ РАН и Новосибирским государственным университетом.
    780
  • 14/12/2020

    Новосибирские ученые разработали технологию формирования наноприборов для нейроморфных систем и нанофотоники

    В новой работе исследователи значительно развили свой подход формирования наноприборов, добившись управляемого синтеза высококачественных монокристаллов диоксида ванадия (VO2) на трехмерных наноструктурах кремния, а также селективного роста массивов наноколец.
    434
  • 29/08/2018

    В Новосибирске обсудили перспективы развития технологической кооперации науки и производства

    ​Заседание Совета главных инженеров предприятий Сибирского федерального округа на VI Международном форуме и выставке технологического развития "Технопром-2018" было посвящено перспективам развития технологической кооперации науки и производства.
    1394
  • 28/12/2020

    Кадры для инноваций: об Институте химических технологий

    ​Новосибирский государственный университет совместно с Институтом катализа СО РАН создал новое структурное подразделение — Институт химических технологий (ИНХИТ). На этой площадке ученые будут готовить специалистов в интересах промышленных предприятий, а также вести исследовательскую и инновационную деятельность.
    629
  • 24/12/2019

    Выбор РИА Новости: главные достижения российской науки 2019 года

    ​Ученые в России в нынешнем году получили знаковые результаты в самых разных областях – от астрономии до археологии, причем многие достижения имеют выходы на практическое применение. Примечательно, что существенную лепту здесь внесли не только признанные научные центры, но и ведущие отечественные вузы.
    2024