Диоксид ванадия (VO2) – материал, испытывающий обратимый фазовый переход полупроводник-металл первого порядка вблизи комнатной температуры, сопровождаемый структурным фазовым переходом. Фазовый переход вызывает резкие изменения электрических и оптических свойств, что перспективно для практических применений. Наноструктуры на основе VO2 за счет малых размеров обладают значительной стойкостью к механическим деформациям, возникающим во время структурного перехода, а также демонстрируют яркие характеристики фазового перехода. Получение наноструктур VO2 является крайне востребованной задачей. В данной работе сообщается об использовании метода сканирующей зондовой литографии для наноструктурирования поликристаллических пленок VO2. Настоящее исследование сосредоточено на модификации пленок VO2 при приложении положительного смещения на образец. Проанализировано влияние величины и длительности приложенного напряжения, относительной влажности воздуха на качество формируемого нанолитографического рисунка. Определен механизм окисления. Установлено, что в результате локального анодного окисления формирующиеся оксидные структуры, состоящие из пентаоксида ванадия (V2O5), полностью растворяются в воде. Таким образом, сплошная поликристаллическая пленка VO2 разделяется на отдельные наноструктуры со строго заданными размерами. Представленный способ формирования наноструктур из кристаллических пленок VO2 перспективен для нанофотоники и наноэлектроники.
Идентификаторы и классификаторы
Диоксид ванадия 2 (VO ) является оксидом переходного металла, в котором при температуре 68 °C наблюдается обратимый фазовый переход первого рода полупроводник-металл [1]. Помимо температурного воздействия, фазовый переход в VO2 можно инициировать приложением значительного электрического поля, оптическим возбуждением, внесением достаточно больших механических напряжений и пр. [2–5]. При этом происходит обратимый структурный переход кристаллической решетки от моноклинной к тетрагональной.
Список литературы
- Morin F.J. Oxides which show a metal-to-insulator transition at the Neel temperature // Physical Review Letters. – 1959. – Vol. 3. – P. 34–36. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.3.34.
- Stefanovich G., Pergament A., Stefanovich D. Electrical switching and Mott transition in VO2 // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2000. – Vol. 12. – P. 8837–8845. – DOI: 10.1088/0953-8984/12/41/310.
- Femtosecond laser excitation of the semiconductor-metal phase transition in VO2 / M.F. Becker, A.B. Buckman, R.M. Walser, T. Lépine, P. Georges, A. Brun // Applied Physics Letter. – 1994. – Vol. 65. – P. 1507–1509. – DOI: 10.1063/1.112974.
- Measurement of a solid-state triple point at the metal– insulator transition in VO2 / J.H. Park, J.M. Coy, T.S. Kasirga, C. Huang, Z. Fei, S. Hunter, D.H. Cobden // Nature. – 2013. – Vol. 500. – P. 431–434. – DOI: 10.1038/nature12425.
- Effect of lattice misfit on the transition temperature of VO2 thin film / H. Koo, S. Yoon, O.J. Kwon, K.E. Ko, D. Shin, S.H. Bae, S.H. Chang, C. Park // Journal of Materials Science. – 2012. – Vol. 47. – P. 6397–6401. – DOI: 10.1007/s10853-012-6565-1.
- Control of the metal–insulator transition in vanadium dioxide by modifying orbital occupancy / N.B. Aetukuri, A.X. Gray, M. Drouard, M. Cossale, L. Gao, A.H. Reid, R. Kukreja, H. Ohldag, C.A. Jenkins, E. Arenholz, K.P. Roche, H.A. Dürr, M.G. Samant, S.S.P. Parkin // Nature Physics. – 2013. – Vol. 9. – P. 661–666. – DOI: 10.1038/nphys2733.
- Kittiwatanakul S., Wolf S.A., Lu J. Large epitaxial bi-axial strain induces a Mott-like phase transition in VO2 // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 105. – P. 073112. – DOI: 10.1063/1.4893326.
- Thermally tunable optical constants of vanadium dioxide thin films measured by spectroscopic ellipsometry / J.B. Kana Kana, J.M. Ndjaka, G. Vignaud, A. Gibaud, M. Maaza // Optics Communications. – 2011. – Vol. 28. – P. 807–812. – DOI: 10.1016/j.optcom. 2010.10.009.
- Sun J., Pribil G.K. Analyzing optical properties of thin vanadium oxide films through semiconductor-to-metal phase transition using spectroscopic ellipsometry // Applied Surface Science. – 2017. – Vol. 421. – P. 819–823. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.09.125.
- Schlag H.J., Scherber W. New sputter process for VO2 thin films and examination with MIS-elements and C–V-measurements // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 366. – P. 28–31. – DOI: 10.1016/S0040-6090(00)00711-2.
- Yang Z., Ko C., Ramanathan S. Oxide electronics utilizing ultrafast metal-insulator transitions // Annual Review of Materials Research. – 2011. – Vol. 41. – P. 337–367. – DOI: 10.1146/annurev-matsci-062910-100347.
- Infrared-sensitive electrochromic device based on VO2 / M. Nakano, K. Shibuya, N. Ogawa, T. Hatano, M. Kawasaki, Y. Iwasa, Y. Tokura // Applied Physics Letters. – 2013. – Vol. 103. – P. 153503. – DOI: 10.1063/1.4824621.
- Vanadium dioxide as a natural disordered metamaterial: perfect thermal emission and large broadband negative differential thermal emittance / M.A. Kats, R. Blanchard, S. Zhang, P. Genevet, C. Ko, S. Ramanathan, F. Capasso // Physical Review X. – 2013. – Vol. 3. – P. 041004. – DOI: 10.1103/PhysRevX.3.041004.
- On-chip photonic memory elements employing phase-change materials / C. Rios, P. Hosseini, C.D. Wright, H. Bhaskaran, W.H.P. Pernice // Advanced Materials. – 2013. – Vol. 26. – P. 1372–1377. – DOI: 10.1002/adma.201304476.
- CMOS and beyond: logic switches for terascale integrated circuits / ed. by T.-J.K. Liu, K. Kuhn. – Cambridge: Cambridge University Press, 2015. – 420 p. – DOI: 10.1017/ CBO9781107337886.
- A new approach to the fabrication of VO2 nanoswitches with ultra-low energy consumption / V.Y. Prinz, S.V. Mutilin, L.V. Yakovkina, A.K. Gutakovskii, A.I. Komonov // Nanoscale. – 2020. – Vol. 12. – P. 3443–3454. – DOI: 10.1039/C9NR08712E.
- New approaches to nanofabrication: molding, printing, and other techniques / B.D. Gates, Q. Xu, M. Stewart, D. Ryan, C.G. Willson, G.M. Whitesides // Chemical Reviews. – 2005. – Vol. 105. – P. 1171–1196. – DOI: 10.1021/cr030076o.
- Advances in top–down and bottom–up surface nanofabrication: techniques, applications & future prospects / A. Biswas, I.S. Bayer, A.S. Biris, T. Wang, E. Dervishi, F. Faupel // Advances in Colloid and Interface Science. – 2012 – Vol. 170. – P. 2–27. – DOI: 10.1016/ j.cis.2011.11.001.
- Chen Y. Nanofabrication by electron beam lithography and its applications: a review // Microelectronic Engineering. – 2015. – Vol. 135. – P. 57–72. – DOI: 10.1016/j.mee.2015.02.042.
- Zinkle S.J., Busby J.T. Structural materials for fission & fusion energy // Materials Today. – 2009. – Vol. 12. – P. 12–19. – DOI: 10.1016/S1369-7021(09)70294-9.
- Scanning probe lithography: state-of-the-art and future perspectives / P. Fan, J. Gao, H. Mao, Y. Geng, Y. Yan, Y. Wang, X. Luo // Micromachines. – 2022. – Vol. 13. – P. 228. – DOI: 10.3390/mi13020228.
- Faradaic current detection during anodic oxidation of the H passivated p-Si (001) surface with controlled relative humidity / H. Kuramochi, F. Pérez-Murano, J.A. Dagata, H. Yokoyama // Nanotechnology. – 2003. – Vol. 15. – P. 297. – DOI: 10.1088/0957-4484/15/3/012.
- In situ detection of faradaic current in probe oxidation using a dynamic force microscope / H. Kuramochi, K. Ando, T. Tokizaki, H. Yokoyama // Applied Physics Letters. – 2004. – Vol. 84. – P. 4005–4007. – DOI: 10.1063/1.1748842.
- Measurement of faradaic current during AFM local oxidation of magnetic metal thin films / Y. Takemura, Y. Shimada, G. Watanabe, T. Yamada, J.I. Shirakashi // Journal of Physics: Conference Series. – 2007. – Vol. 61. – P. 1147. – DOI: 10.1088/1742-6596/61/1/227.
- Martinez J., Martinez R.V., Garcia R. Silicon nanowire transistors with a channel width of 4 nm fabricated by atomic force microscope nanolithography // Nano Letters. – 2008. – Vol. 8.– P. 3636–3639. – DOI: 10.1021/nl801599k.
- MOCVD growth and characterization of vanadium dioxide films / L.V. Yakovkina, S.V. Mutilin, V.Y. Prinz, T.P. Smirnova, V.R. Shayapov, I.V. Korol’kov, N.D. Volchok // Journal of Materials Science. – 2017. – Vol. 52. – P. 4061–4069. – DOI: 10.1007/s10853-016-0669-y.
- Garcia R., Knoll A.W., Riedo E. Advanced scanning probe lithography // Nature Nanotechnology. – 2014. – Vol. 9. – P. 577–587. – DOI: 10.1038/nnano.2014.157.
- Nanolithography of amorphous vanadium oxide films using an atomic force microscope / A.I. Komonov, N.D. Mantsurov, S.V. Mutilin, B.V. Voloshin, V.A. Seleznev // Proceedings of IEEE 23rd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). – IEEE, 2022. – P. 20–24. – DOI: 10.1109/EDM55285.2022.9855164.
- Cabrera N., Mott N.F. Theory of the oxidation of metals // Reports on Progress in Physics. – 1949. – Vol. 12. – P. 163. – DOI: 10.1088/0034-4885/12/1/308.
- Trypuc M., Kielkowska U., Chalat M. Solubility investigations in the NaCl + V2O5 + H2O system from 293 K to 323 K // Journal of Chemical & Engineering Data. – 2002. – Vol. 4. – P. 765–767. – DOI: 10.1021/je010212r
Выпуск
Другие статьи выпуска
Предлагается асимптотически робастный инвариантный алгоритм обнаружения и оценки временного положения сигналов, синтезированный на основе приближенно финитной модели распределений шума. Алгоритм основан на вычислении корреляционных статистик нелинейного преобразования наблюдаемой выборки с вектором отсчетов опорного сигнала. Оценка времени задержки сигнала определяется путем специальной обработки полученных статистик с учетом наличия в наблюдаемом процессе зеркальных помех. Алгоритм реализован в частотной области, что позволяет использовать процедуру быстрого преобразования Фурье для уменьшения вычислительных затрат. Результаты имитационного моделирования показывают, что в случае распределений шума с тяжелыми хвостами АРИ-алгоритм обеспечивает энергетический выигрыш по сравнению с классическим корреляционным алгоритмом, а в случае гауссовского шума практически не уступает ему.
В работе представлена обучающая интеллектуальная система «Эксперт Полимер» для идентификации частиц, пригодных для 3D-печати. Программный комплекс предназначен для анализа изображений полимерных материалов на производственной площадке с помощью оптики. Планируется, что данная интеллектуальная система будет использоваться в качестве учебного комплекса программ для студентов высших учебных заведений, а также для биоинженеров и материаловедов в научно-производственных целях. В исследовании использовались технологии Интернета вещей (IoT) для получения изображений с оптических измерительных устройств (электронный микроскоп и др.) от пользователей системы и отправки им результатов анализа изображений. Путем взаимодействия электронного микроскопа с созданным программным комплексом выполнялась задача определения количества всех частиц и количества частиц, удовлетворяющих алгоритму 3D-печати. На основании этих данных эксперт принимает решение о возможности использования полимерных частиц для последующей 3D-печати. Для реализации системы использовались современные библиотеки языка программирования Python, а именно Pandas, Direction2 и YOLOv5 и другие.
В статье представлены результаты электронно-пучковой обработки диффузионных слоев на основе бора и алюминия на примере стали 20, на базе модернизированного источника электронов с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления. Введенный контур обратной связи по ионному току в ускоряющем промежутке плазменного источника электронов позволяет повысить управляемость генерации пучка и электрическую прочность ускоряющего промежутка и тем самым обеспечить обработку поверхности образцов стали до заданной температуры. Для обеспечения стабильности процесса электронно-пучковой обработки предлагается предварительный прогрев поверхности до температуры 400–700 ? импульсами воздействия с контролируемым током разряда. На основном этапе электронно-пучковой обработки температура поверхности диффузионных составляет ~1900 ?. Для обеспечения данного диапазона температуры ток разряда регулируется в пределах 20–150 А в течение импульса длительностью 950 мкс, количество импульсов – три (интервал между импульсами 3 с). Обработка электронным пучком при данных режимах приводит к структурной трансформации диффузионного слоя на глубину более 150 мкм и к существенному повышению значений микротвердости. Отработанный режим электронно-пучковой обработки может быть рекомендован как дополнительный метод в технологиях комбинированной модификации диффузионных слоев на основе бора и алюминия.
В данной статье рассматривается система возбуждения трехкаскадного синхронного генератора для авиационного применения в двух отличительных режимах работы: в качестве генератора электрической энергии для бортовой системы электроснабжения и электростартера для газотурбинных двигателей летательного аппарата. В статье представлен расчет стартерного и генераторного режима работы системы возбуждения. Получены основные расчетные соотношения для схемы полупроводникового преобразователя, подтверждённые имитационным моделированием в среде PowerSIM. Решена задача синтеза системы автоматического управления для блока возбуждения ТСГ, работающего в составе бортовой системы электроснабжения с применением методики расчета параметров регуляторов на основе метода разделения движений. Для генераторного режима работы создана двухконтурная система управления, включающая в себя ПИ- и ПИД-регуляторы с регулированием по выходному напряжению основного генерирующего каскада. Для управления блоком возбуждения в электростартерном режиме работы спроектирована одноконтурная система управления по току обмотки возбуждения с добавлением резонансной составляющей. Оценка эффективности спроектированных систем управления выполнена на основе имитационного моделирования с использованием пакетов прикладных программ PowerSIM и MATLAB/Simulink для генератора, питающего трехфазную сеть переменного тока в соответствии с требованиями ГОСТ Р 54073–2017. Результаты математического моделирования легли в основу проектирования экспериментального образца силовой части в гибридном интегральном исполнении для системы регулирования напряжения ТСГ.
Данная работа представляет экспериментальные исследования перспективного способа воспламенения и горения угольного топлива с использованием плазменной активации. Экспериментальные исследования проводились на стенде тепловой мощностью до 5 МВт. В качестве экспериментальных образца был выбран каменный уголь марки ГД, отобранный после шаровой барабанной мельницы с остатком на сите R90 = 15 %. Условия были приближены к промышленным, применяемым при растопке угольных котлов. Определен рабочий диапазон скоростей пылеугольного потока в электродуговом блоке. Установлено, что стабильный процесс воспламенения и дальнейшего горения угля возможен при скоростях потока на электродуговом блоке от 6 до 13 м/c. Проведена растопка экспериментального стенда с холодного состояния до температуры 1000 °С при коэффициентах избытка воздуха а от 0,5 до 0,7, время растопки не превышало 200 с.
В работе теоретически и экспериментально исследуется воздействие лазерного излучения и высокотемпературной плазмы на природу изменения физических свойств аморфно-нанокристаллических материалов, содержащих нанопоры в тонком поверхностном слое. В настоящее время экспериментально установлена возможность одновременного повышения твердости и стойкости к растрескиванию поверхности материала в результате селективного лазерного воздействия. Экспериментальные результаты могут быть объяснены на основе модели селективного воздействия лазерного излучения на отдельные нанопоры. В работе исследована физика лазерного избирательного инициирования процессов залечивания неоднородных/дефектных областей на наноуровне. С использованием предложенной физической модели выявлена специфика избирательного прогрева областей вблизи нанопор, а также влияние наноразмерных дефектов структуры на специфику распространения изотерм. Рассмотрен процесс залечивания нанопор находящихся в неоднородно прогретом поверхностном слое материала под действием ударной нагрузки. Теоретические результаты сопоставлены с экспериментальными данными. Показано, что в результате селективной лазерной обработки удается повысить микротвердость в три-четыре раза, с одновременным ростом стойкости к растрескиванию в условиях локального нагружения пирамидкой Виккерса. Полученные результаты находят объяснение в рамках представлений об избирательном лазерном залечивании нано- и микроразмерных дефектов, расположенных в поверхностном слое материала. Таким образом в работе теоретически и экспериментально изучены физико-механические свойства поверхности конденсированных материалов, находящихся в экстремальном состоянии, вызванном сильным сжатием в условиях одновременного кратковременного нагрева до высоких температур.
Статистика статьи
Статистика просмотров за 2025 год.
Издательство
- Издательство
- НГТУ
- Регион
- Россия, Новосибирск
- Почтовый адрес
- 630073, Новосибирск, проспект Карла Маркса, 20,
- Юр. адрес
- 630073, Новосибирск, проспект Карла Маркса, 20,
- ФИО
- Батаев Анатолий Андреевич (Ректор)
- E-mail адрес
- rector@nstu.ru
- Контактный телефон
- +7 (383) 3465001
- Сайт
- https://nstu.ru/