Бронза на основе оксида ванадия: новый материал для компьютерной индустрии?

Немногим материалам (разве что на пару тысяч лет раньше — железу и медной бронзе) удалось так прославиться, как это получилось у кремния, ключевого элемента всей полупроводниковой промышленности. Но ничто не вечно под луной. Как в своё время электронно-лучевые мониторы, достигшие пика развития, были вынуждены быстро сойти со сцены, так и следующее поколение компьютеров вряд ли будет целиком «кремниевым».

Специалисты из Университета Буффало (США) поставили себе цель найти такие материалы, которые могли бы однажды заменить кремний, позволив достичь новой скорости вычислений. И вот их последнее открытие — бронза на основе оксида ванадия, необычные электрические свойства которой способны увеличить скорость передачи и записи информации. Материал представляет собой нанопровода из оксида ванадия, допированного свинцом.

Отчёт об открытии опубликован в журнале Advanced Functional Materials.

Нанопровода оксида ванадия, допированного свинцом: при приложении напряжения наблюдается переход от изолятора к фазе с металлической проводимостью при комнатной температуре. (Микрофото Peter Marley.)

Что делает эти нанопровода такими особенными? Оказывается, при приложении напряжения материал способен переходить из состояния «изолятор» к фазе с металлической проводимостью при комнатной температуре. (Предвидя вопросы, спешим пояснить, что, по-видимому, переход «проводник — изолятор» осуществляется только при определённой величине напряжения, в то время как при любом напряжении ниже порогового материал ведёт себя как обычный изолятор; вопрос лишь в том, как осуществить обратный переход.) Каждое из двух состояний (изолятор и проводник) может описываться в терминах бинарного кода, столь привычного в машинных вычислениях.

Любопытно также то, что полученный материал проявляет свои чудо-свойства только в наноструктурированной форме (по крайней мере при комнатной температуре). Объясняется это тем, что наноструктурные материалы обычно обладают гораздо меньшим числом дефектов, чем это характерно для макроразмерных объектов. Дело тут вот в чём. В фазовом состоянии изолятора (при комнатной температуре) свинец, интеркалированный в кристаллическую структуру нанопроводов, представляет собой области повышенной концентрации электронной плотности. При приложении напряжения происходит «плавление» свинцовых областей (это не совсем то же самое, что обычное плавление, тут речь идёт скорее о сближении определённых электронных уровней с последующим диспропорционированием зарядов), которое позволяет областям с повышенной электронной плотностью объединиться, что и создаёт условия для куда более свободного движения электронов (металлическая проводимость). В случае же с макроразмерными материалами большое количество дефектов в кристаллической структуре попросту физически препятствует описанному выше объединению, и ничего интересного не происходит.

Все события фазового перехода авторы работы наблюдали с помощью метода рентгеновской абсорбционной спектроскопии NEXAFS, а формальная химическая формула нового материала такова: β-Pb_xV₂O₅ (x ≈ 0.33).

Подготовлено по материалам Университета Буффало.