Физика

Когда вода замерзает, лед сначала образуется в «ядрах» — крошечных зародышевых кристаллах, которые могут расти или сжиматься и выживать только в том случае, если достигают минимального размера — по крайней мере, согласно теории из учебников. Исследователи теперь показали, что это понимание также применимо к более сложному фазовому переходу в диоксиде ванадия (VO2), материале, электрические свойства и кристаллическая структура которого изменяются при так называемом фазовом переходе металл-изолятор [1]. Команда измерила пороговый размер «зародышей», которые запускают этот переход, и продемонстрировала новую технику изучения переходов кристаллической структуры. Результат предполагает, что классическая теория нуклеации справедлива для ряда материалов, которые важны в таких областях, как катализ, лазеры, производство сплавов и керамики.

Поместите ведро с очищенной водой в среду с минусовой температурой, и начнут образовываться крошечные семена льда. Многие из них быстро растворятся, но те, которые превышают определенный пороговый размер, вырастут и в конечном итоге сольются, образуя единую глыбу льда. Этот взгляд на кристаллизацию, связанный с классической теорией нуклеации, был хорошо принят для перехода вода–лед. Цзюньцяо Ву из Калифорнийского университета в Беркли и его коллеги хотели проверить, действует ли то же самое явление нуклеации в VO2, когда он совершает переход от одной кристаллической структуры к другой.

VO2 используется в поверхностных покрытиях, датчиках и системах визуализации. При температуре выше 340 К материал представляет собой металл, а это означает, что он является хорошим проводником электричества. При комнатной температуре он становится изолятором (непроводником). Этот переход металл-изолятор (MIT) сопровождается изменением кристаллической структуры материала и имеет некоторые особенности, напоминающие переход вода-лед. Например, если материал достаточно чистый, VO2 может «переохладиться» и оставаться металлическим при температурах, при которых он обычно обеспечивает изоляцию. Воду также можно переохладить ниже точки замерзания.

Исследователи ранее видели намеки на то, что VO2 и подобные материалы вызывают фазовые переходы так же, как вода, но у них не было прямых доказательств. Чтобы изучить эту возможность, Ву и его коллеги разработали метод размещения «зародышей нуклеации» — крошечных областей, которые могут вызывать фазовые переходы — внутри металла и контроля процесса нуклеации.

Сначала исследователи изготовили серию чистых монокристаллических металлических проводов VO2 с поперечным сечением около 100 × 250 квадратных нанометров (нм2) и длиной около 50 микрометров. Для каждого эксперимента они подвешивали одну из проволок через пару параллельных гребней электродов так, чтобы проволока поддерживалась только на концах. Затем команда облучила концы провода ионами гелия. Это облучение повредило концы таким образом, что контакт с электродами не позволил вызвать нежелательную нуклеацию, тем самым создав «идеальное семенное ложе для посадки и выращивания семян [нуклеации]», — говорит Ву. Они также облучили серию полос поперек провода, чтобы создать восемь отдельных «экранированных» сегментов. Команда использовала сфокусированный луч ионов галлия, чтобы исказить кристаллическую структуру и создать зародыш нуклеации в каждом сегменте. Зародыши имели диаметр от 10 до 180 нм, и команда отслеживала их влияние на фазовый переход проволоки с помощью оптического микроскопа.

Когда исследователи охладили проволоку ниже нормальной температуры фазового перехода VO2, каждая затравка в конечном итоге вызвала фазовый переход в своем сегменте — чем меньше затравка, тем ниже температура перехода. Команда обнаружила, что для проведения MIT требуется минимальный размер семян в десятки нанометров (точное значение зависит от деталей создания семян). Все результаты согласовались с предсказаниями классической теории нуклеации.

Ву говорит, что результаты показывают, что MIT VO2 обусловлен нуклеацией и что исследователи, возможно, смогут использовать более изученные материалы, чтобы получить дальнейшее понимание MIT. «Есть что-то универсальное, что управляет этими явлениями», — говорит он. Он также считает, что результаты открывают путь к разработке материалов с хорошо контролируемыми фазовыми переходами, которые могут улучшить использование VO2 в приложениях, а также в фундаментальных исследованиях. «Глубоко переохлажденный VO2, который мы продемонстрировали, является идеальным испытательным стендом для будущих исследований», — говорит Ву.