Transistor on ajaloo lõikes võrdeliselt hästi lülitanud nii arvutusskeeme kui inimkonna tehnoloogilist arengut. Need tillukesed seadmed töötavad elektrivälja toimel: ühtpidi polaarsusega elektriväljas transistor juhib voolu, teistpidi suunatud elektriväljas aga tõkestab seda. Teadlased on üritanud kümneid aastaid samu tööpõhimõtteid saavutada siirdemetall-oksiidides (transition-metal oxides), ent lülitamisefekt on saavutatud vaid oksiidi pindmistes aatomkihtides.
Alla 47 0C kraadises keskkonnas paarduvad VO2 kiles olevad vanaadiumi ioonid erilisse kristallstruktuuri, mille elektronid ei saa enam vabalt elektrit kanda. Üleminek on pööratav kilele rakendatava positiivse pinge abil. Pinge põhjustab elektronide liikumise kile pinna lähedusse, mis taastab kõrgtemperatuurse struktuuri ning komposiitmaterjali metallilise käitumise kogu kile ulatuses.
Hiljuti avastas Masaki Nakano juhitav RIKEN Wako teaduskeskuse kolleegium, et VO2 (vanaadium dioksiid) on erandlik: kümnete nanomeetrite paksune oksiidkile muutus elektriväljas tervikuna juhiks.
Siirdemetall-oksiidide keemilise koostise või temperatuuri varieerimisega on võimalik muuta ka nende elektrilisi omadusi. VO2 (vanaadium dioksiid) on toatemperatuuril isolaator. Oksiidi soojendamine või osade vanaadiumi aatomite asendamine volframi aatomitega põhjustab faasisiirde. Paardunud olekus vanaadiumi ioonid eralduvad ning reorganiseeruvad mobiilsete elektronidega kristallstruktuuri. Positiivse pinge rakendamine VO2 kilele päädib samaväärse tulemusega: elektronid liiguvad elektriväljas metalli pinnale ning muudavad selle juhtivaks.
Teadlased on varem arvanud, et elektriväljas laadub ekraniseerimisefekti tõttu (loe siit) vaid oksiidi pind. Nakano avastas, et esialgsetest VO2 pinnale liikunud elektronidest piisas faasisiirde käivitamiseks. „Oksiidi pinnakihi ebatasasus levis üle kogu kile. Järgnes materjali elektronide faasisiire,“ seletas Nakano. Pingest indutseeritud faasisiire vähendas VO2 sisetakistust 100 korda.
Et VO2 juhtivus sõltub järsult temperatuurist, saab seda kasutada soojuslülitina. Lisaks võib temperatuuriga peenhäälestada VO2 neeldumisspektrit. Vastavalt vajadusele või välistemperatuurile infrapunase valguse läbilaskvust reguleeriv vanaadiumoksiidiga kaetud klaas oleks hea lahendus ökomajadele. „Tavaliselt on lülitustemperatuur fikseeritud,“ ütles Nakano. „Meie seade lisab nutiaknale uusi nuppe.“ Töörühm otsib aktiivselt teisigi VO2-le sarnanevaid materjale ning nende rakendusi.
Allikas: Phys.org
Leave a Reply