Vanaadiumoksiid (VO2) on teadlastele huvipakkuv materjal, sest on ühtaegu isolaator ning metall ja sobib nii akna kattekile kui optilise lülitite valmistamiseks. Nüüd avastasid Rice’i Ülikooli teadlased uue viisi oksiidi elektriliste omaduste muutmiseks dopeerides materjali vesinikuga.
Kullast elektroodid vanaadiumoksiidi traatidel, mis on inimese juuksekarvast ligi 1000 kõrda õhemad. Vesinikgaasi keskkonnas aurufaas-sadestatud traatidel on huvitavad füüsikalised omadused.
Vanaadiumi leidub muuhulgas karastatud terastes. Metalli oksüdeerimisel moodustuvad kristallid, mis meenutavad pikki ristkülikukujulisi kastikesi. Vanaadiumi aatomid joonduvad kasti äärtesse, moodustades kristallstruktuuri ulatuses pikliku kihtstruktuuri. Üksikus vanaadiumoksiidi kristallis võib taolisi ristkülikuid olla mitu.
VO2 kristallid on piisavalt kõrgetel temperatuuridel head soojusjuhid. „Jahutades materjali temperatuurile 67 K (Kelvin) toimub faasisiire, mis mõjutab ühtaegu metalli struktuuri ja selle elektrilisi omadusi. Vanaadiumi aatomid grupeeruvad paariti nii, et iga paar on teineteise suhtes väikese nurga all, pikki lülisid ei teki. Faasisiire ning sellega kaasneva paardumise taasilmumisel muutub materjal elektrijuhist isolaatoriks,“ märkis teadusajakirjas Nature Technology ilmunud artikli kaasautor Douglas Natelso.
Teistel sarnastel materjalidel on samalaadsed omadused, ent vanaadiumoksiid on harukordne, sest faasisiire toimiub küllaltki kõrgel temperatuuril 67.2 K. Siire toimub enamasti ülikiirelt, vähem kui 10-12 sekundiga. Hiljutistes teadustöödes on nimetatud omadusi hoolikalt uuritud ja rakendatud. 2004. aastal kasutas Londoni teadlaste grupp vanaadiumoksiidi temperatuuritundliku aknaklaasikatte valmistamiseks, mis suutis pealelangevat päikesevalgust jahedamatel päevadel neelata ja soojematel peegeldada. Lisaks töötavad elektroonikainsenerid VO2 põhiste optiliste lülitite arendamisega.
„Eksperimentaalfüüsikas on VO2 huvipakkuv materjal, sest selle füüsikalist olemust veel täiel määral ei mõisteta. Teoreetilised mudelid üksi ei suuda meile vajalikke vastuseid anda, eksperimendid on selleks hädavajalikud,“ mainis Natelson, kes on Rice’i Ülikooli füüsika, elektrotehnika- ja astronoomiaprofessor.
2010. aastal alustasid Natelson ja postdoktor Jiang Wei süstemaatilist VO2 faasisiirete uurimist. Wei ja tema juhendatav tudeng Heng Ji kasutasid VO2 traatide valmistamiseks aurufaas-sadestamistehnikat. Juhtmed olid inimese juuksekarvast ligikaudu 1000 korda õhemad. Üks katsejuhe, mis sadestati lämmastikgaasiga rikastatud keskkonnas, andis iseäranis huvitavaid tulemusi. Wei, Ji ja Natelson järeldasid, et vesinik mõjus kuidagi metallelektroodidega kontaktis olevaid VO2 nanojuhtmeid.
„Kullast elektroodide abil juhtisime nanotraatidesse elektrivoolu. See mõjus katalüsaatorina ja lõhustas vesinikgaasi atomaarseks vesinikuks, mis sai seejärel nanotraati difundeeruda,“ ütles Natelson. „Näib, et vesinik haaratakse VO2 kristallidesse. See muudab nende elektrilisi omadusi. Vähese vesiniku lisamisel muutub faasisiirde temperatuur madalamaks ning isoleeriv faas juhtivamaks. Teatud vesiniku sisaldusest alates kaob isoleeriv faas sootuks.“
Vesiniku mõju täpseks uurimiseks konsulteerisid eksperimentaatorid teoreetilise füüsiku Andriy Nevidomskyyga, kes on Rice-i Ülikooli füüsika- ja astronoomiadotsent. Nevidomskyy arvutused näitasid, et vesinik muutis VO2 elektrilist laengut ning paisutas kergelt materjali. Mõlemad muutused on metallilisele olekule soodsa mõjuga.
Tegemist ei ole esmakordse vanaadiumoksiidi dopeerimisel põhineva faasisiirde moduleerimise eksperimendiga. Ent Natelson rõhutas, et Rice-i vesinikdopeerimine on unikaalne, sest on täielikult pööratav. „Vesiniku eemaldamiseks piisab vaid traadi mõõdukal temperatuuril ahjus küpsetamisest. Dopeeritud nanotraadil on mitmeid rakendusi, näiteks ultrasensitiivsed vesinikusensorid,“ ütles Natelson, „ent lähemas perspektiivis võimaldab dopeerimine aru saada VO2 faasisiirete füüsikast. Teades, milline kogus vesinikku faasisiirde välja lülitab, siis on meil olemas teoreetiline nupp, millega saame süstemaatiliselt tõsta või langetada tulevikus läbiviidavate eksperimentide temperatuuri.“
Allikas: PhysOrg
Leave a Reply