Диоксид ванадия: характеристики и применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ)

Отчет по учебной практике

Диоксид ванадия: характеристики и применение

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

диоксид ванадий гистерезис полупроводник

Введение

1. Особенности фазового перехода металл-полупроводник в диоксиде ванадия

1.1 Особенности оптических свойств двуокиси ванадия вблизи фазового перехода металл--полупроводник

1.2 Природа температурного гистерезиса при фазовом переходе мeталл-полупроводник

1.3 Роль гистерезисных эффектов в процессе записи и хранения информации

1.4 Спектральные зависимости оптических постоянных окиснованадиевых пленок

1.5 Изменение оптических характеристик ФТИРОСа при фазовом переходе

2. Применение диоксида ванадия

2.1 Устройства автоматики контроля

2.2 Термоэлектрические преобразователи электрических и оптических сигналов

2.3 Переключающие элементы

2.4 Использование сред на основе окислов ванадия для регистрации голограмм

2.5 Транзистор с ионной жидкостью

Список литературы

Введение

Превращение металла в диэлектрик или, наоборот, диэлектрика в металл обычно происходит в экстремальных условиях. Так, под большим всесторонним давлением многие полупроводники и диэлектрики становятся металлами. Металл превращается в диэлектрик при испарении, например в результате импульсного лазерного излучения.

Однако есть вещества, которые совершают обратимый переход диэлектрик--металл лишь под действием температуры, не изменяя при этом своего агрегатного состояния. При определенной температуре, называемой температурой фазового перехода T_п, резко меняется величина и характер электропроводности. Ниже T_п она изменяется с температурой по экспоненциальному закону, характерному для диэлектриков и полупроводников, а выше T_п наблюдается слабое ее падение с увеличением температуры, характерное для металлов. Отсюда название -- фазовый переход металл--полупроводник (ФПМП). На самом деле в целом ряде случаев наблюдается отклонение электропроводности от «чисто» металлического поведения при Т > T_п и от «чисто» полупроводникового -- при Т < T_п. Поэтому понятие ФПМП, приведенное выше, является не совсем строгим, так как часто в конкретных случаях требуется уточнение понятий полупроводникового и металлического состояний. Тем не менее явление резкой и обратимой смены характера и величины электропроводности, носящее черты фазового перехода 1-го рода, в дальнейшем будем называть ФПМП.

К настоящему моменту известно довольно много соединений, обладающих ФПМП. Все это -- соединения 3--d, 4--d и 5--f-элементов. Мы рассмотрим лишь один из них - диоксид ванадия VO_2.

Прикладной интерес обусловлен возможностью синтеза на основе VO₂ тонкопленочных интерферометров, используемых в качестве реверсивной среды для записи голограмм, а также в качестве модуляторов ИК-излучения. Фундаментальный интерес обусловлен тем, что остается неясной до конца сама природа происходящего в VO₂ термического фазового перехода ''металл-полупроводник”.

Как известно, фазовый переход металл-полупроводник в диоксиде ванадия -- это фазовый переход первого рода, происходящий при T_п = 67°C: выше T_п -- VO2 -- металл с тетрагональной симметрией решетки, а ниже T_п -- VO₂ -- полупроводник с моноклинной симметрией решетки и шириной запрещенной зоны около 0.7 эВ. При этом не решен фундаментальный вопрос о том, является ли данный фазовый переход электронным переходом Мотта, а возникающие при этом структурные изменения лишь его сопровождают. Или же это переход типа Пайерлса, когда доминируют структурные изменения, а перестройка электронной подсистемы -- вторичный процесс.

Диоксид ванадия в ряду оксидов металлов занимает особое место, поскольку ванадий является элементом с недостроенной d-оболочкой, и поэтому для диоксида ванадия характерно наличие сильных корреляционных эффектов. Благодаря присутствию электронных корреляций VO2 обладает уникальными свойствами, определяемыми разнообразием типов химических связей между атомами кислорода и ванадия в данном соединении, включая связи, обусловленные d-электронами. Диоксид ванадия -- материал, испытывающий ФП первого рода из моноклинной фазы (C₃v ) в тетрагональную (D_4h) (переход полупроводник-металл), который в монокристаллах наблюдается при температуре Tп = 67?C (340K) . При таком переходе испытывают скачок как оптические, так и электрические константы материала. Так, показатель преломления меняется от 2.5 в моноклинной фазе до 2.0 в тетрагональной фазе, а скачок электропроводности при ФП для монокристаллов составляет 10⁵. При температуре, большей Tп , материал обладает металлической проводимостью с концентрацией носителей 10²² см?3 и имеет тетрагональную симметрию решетки типа рутила.

1. Особенности фазового перехода металл-полупроводник в диоксиде ванадия

Практическое использование явления ФПМП невозможно не только без ясного понимания его микроскопической картины, но также и без выявления феноменологических особенностей, наблюдаемых в материалах, конкретно используемых при конструировании и создании приборов. В настоящее время наибольшее число технических приложений выполняется на тонких пленках толщиной от 0.1 до 1 мкм. В пленках по сравнению с монокристаллами ФП размыт по температуре, что зачастую очень удобно, так как позволяет, например, плавно менять оптические характеристики. Так, благодаря температурной размытости ФП в пленке двуокиси ванадия можно плавно менять цвет пленки. Появляется возможность записи и передачи полутонов.

Реализация режима хранения информации в материалах с ФПМП связана с возможностью осуществления в системе двух устойчивых состояний при одной и той же температуре, т. е. с наличием температурного гистерезиса. Природа петли гистерезиса при ФПМП своеобразна и требует систематического исследования. Значительный интерес представляют также явления протекания тока, когда система находится вблизи температуры ФПМП.

1.1 Особенности оптических свойств двуокиси ванадия вблизи фазового перехода металл--полупроводник

а) Размытие ФПМП в пленках

В пленках двуокиси ванадия ФПМП обычно значительно размыт по температуре. Это особенно хорошо видно, если сопоставить данные по отражению для монокристаллов и пленок двуокиси ванадия.

На рис. 1 изображено изменение коэффициента отражения ДR поликристаллической пленки VO₂ толщиной 1200 ±100 Е для длины волны света 0.45 мкм и угла падения 11° при нагревании в окрестности ФП. Для сравнения приведена также температурная зависимость ДR для монокристалла. Размытие ФП в пленке было связано с сосуществованием полупроводниковой и металлических фаз, которое является следствием того, что в окислах ванадия происходит ФП 1-го рода и каждая из фаз может независимо существовать но обе стороны от точки ФП.

Рис. 1. Изменение коэффициента отражения ДR с температурой.

1 -- монокристалл; 2 -- пленка. и_м-- относительный объем, занимаемый металлической фазой

Предполагается, что наиболее вероятной причиной сосуществования двух фаз при данной температуре является наличие механических напряжений и в особенности неоднородностей по составу, которые могут довольно значительно изменять температуру ФП.

Действительно, было показано, что механические напряжения могут сдвигать T_п в пределах от 66 до 75^о С. Еще более значительное изменение Т_п наблюдается в зависимости от степени стехиометрии и легирования.

б) Плавное изменение цвета пленки в зависимости от температур

На основе пленок окислов ванадия можно создавать индикаторы, изменяющие свой цвет в зависимости от температуры, -- термохромные индикаторы. Принцип действия такого индикатора цвета можно понять из рис. 2. Сплошными кривыми на нем даны спектры отраженной пленки V0₂, измеренные при разных температурах вблизи точки ФП. Из этого рисунка следует, что в видимой области спектра отражение характеризуется наличием широкого интерференционного минимума. При нагревании этот минимум начинает сдвигаться в сторону высоких энергий уже за несколько градусов до T_п -- температуры ФП монокристаллов VO₂, которая равна 340 К. Дальнейшее повышение температуры приводит к новому сдвигу минимума отражения (кривые 1, 2, 3, 4, 5). Положение этого минимума стремится к некоторому предельному значению, которое достигается при нагревании на несколько градусов выше T_п. Сдвиг именно этого минимума и определяет изменение цвета пленки VO₂. Особенно сильно цветовые переходы, обусловленные ФПМП, выражены в пленках ФТИРОС. Причиной этого является возможность варьирования условий интерференции не только за счет толщины пленки, но и за счет изменения ее оптических констант в процессе изготовления.

Рис. 2. Спектр отражения двуокиси ванадия

1--5 -- соответствуют плавному увеличению температуры от 330 до 340К через ~3К.

в) Минимум в температурной зависимости коэффициента отражения вблизи ФПМП

Сосуществованием металлической и полупроводниковой фаз, по нашему мнению, можно объяснить еще одну особенность оптического поведения пленок, а именно -- наличие минимума в температурной зависимости коэффициента отражения вблизи ФПМП.

На рис. 3 (кривая 1) приведена температурная зависимость коэффициента отражения, измеренного для одной из пленок двуокиси ванадия на длине волны света л=9 мкм. Отчетливый минимум наблюдался при температуре 338 К. Длина волны 9 мкм была выбрана специально, чтобы избежать влияния интерференции (толщина пленки примерно 1200 Е). Кроме того, использована область частот, меньших плазменной частоты металлической фазы двуокиси ванадия (--1.65 эВ).

Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента отражения для излучения л=9 мкм. 1 -- эксперимент; 2 --расчет.

В этом случае эффективная диэлектрическая проницаемость при нагревании образца изменяется от положительного значения (полупроводниковая фаза) до больших отрицательных значений (металл), проходя значение е_эф=1. Условию е_эф=1 соответствует так называемый плазменный минимум в отражении. Таким образом, согласно предлагаемой модели, следует ожидать заметного уменьшения R в инфракрасной области спектра при нагревании образца и лишь затем его роста до высоких значений, свойственных металлической фазе. Рассчитанная температурная зависимость R(Т) для длины волн света л=9 мкм изображена на рис. 3 (кривая 2).

Дифракция света, обнаруженная в этой работе, может к одной из причин минимума пропускания, наблюдавшегося вблизи ФПМП, особенно в пленках, близких по своей структуре к монокристаллическим.

1.2 Природа температурного гистерезиса при фазовом переходе мeталл--полупроводник

ФПМП диоксида ванадия -- ФП 1-го рода, характеризующийся температурным гистерезисом. Совершенно ясно, что температурный гистерезис -- одна из главных особенностей ФПМП. Наличие гистерезиса часто подчеркивается для того, чтобы указать на участие перестройки решетки в ФПМП. Несомненный интерес представляет изучение природы петли гистерезиса и в практическом отношении, например при создании приборов, обладающих памятью.

Обычно наличие гистерезиса при ФП 1-го рода связано с явлениями перегрева и переохлаждения, т. е. с существованием метастабильных состояний. Возможность существования таких метастабильных состояний есть следствие того, что возникающая поверхность раздела фаз обладает дополнительной свободной энергией, пропорциональной квадрату линейных размеров (площади поверхности) образующейся фазы. Доля вещества в поверхностном слое раздела фаз обратно пропорциональна линейным размерам и при больших размерах фаз мала.

Однако в чистых веществах (например, жидкостях без примесей и пузырьков) новая фаза возникает в мелкодисперсном виде. Тогда удельная роль поверхностной составляющей энергии возрастает. Рост мелкого зародыша термодинамически невыгоден. Следовательно, если зародыши новой фазы мелкие, то за точкой ФП исходная фаза находится в метастабильном состоянии. Возникает ситуация, при которой ФП произойдет только в том случае, если будет преодолен некий потенциальный барьер. При этом характерные значения времени перехода из метастабильного в стабильное состояние лежат в широком интервале -- от долей секунды до десятков лет -- и существенно зависит от качества среды и тем самым во многом определяются технологией приготовления образца. В материалах с ФПМП и в частности VO₂, такие релаксационные процессы до сих пор, не наблюдались, что, казалось бы, свидетельствует о большом времени релаксации метастабильного состояния. В окислах ванадии, и, по-видимому, в большинстве других соединений ФПМП одним из основных параметров ФП является деформация в процессе перехода не меняющийся химический состав; такой ФП отнести к типу мартенситных превращений.

Как показано в ряде работ, при таких ФП в окрестности точки перехода существенную роль играют возникающие напряжения, которые делают энергетически невыгодным одновременное сосуществование в бесконечной среде двух фаз при любом соотношении их объемов. Из этого следует, что ФП может начать развиваться только при температуре Т_м, несколько большей температуры равновесия фаз Т₀. Условие Т_м >Т₀ приводит к тому, что в интервале температур Т_м--Т₀ состояние образца нельзя считать метастабильным, и тем самым время релаксации среды автоматически обращается в бесконечность.

Таким образом, a priori нельзя сказать, связаны ли гистерезисные явления в образце с возникновением состояний, медленно релаксирующих к равновесию, или установилось равновесие в условиях мартенситного перехода. Очевидно, в реальной ситуации эти факторы сосуществуют.

В практическом отношении безразлично, соответствует ли данная точка в петле гистерезиса метастабильному состоянию с достаточно большим временем релаксации или квазиравновесному состоянию в мартенситном превращении. Однако, как будет показано ниже, в ряде случаев время релаксации в окислах ванадия не столь велико и может соответствовать практическому интервалу времени.

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что характерное время релаксации метастабильных состояний в окислах ванадия соответствует интервалу от десятых до единиц секунд. Этот факт необходимо учитывать при построении микроэлектронных и оптоэлектронных систем, работающих в реальном масштабе времени. Выбор материала ФТИРОС оказался не случайным, так как именно в этом материале, состоящем из многих фаз окислов ванадия, ширина петли гистерезиса может достигать величины примерно 20°, что во многом определяет удобство работы с ним в режиме запоминания.

Другим следствием мартенситного характера перехода, которое необходимо учитывать в чисто физическом и практическом планах, является разбиение кристалла, в котором происходит ФПМП, на домены. Как было сказано выше, фазовые превращения в кристаллах часто сопровождаются некоторой характеристической, или собственной деформацией. Когда новая фаза образуется в контакте с исходной, несовместимость собственной деформации на границе фаз является источником внутренних напряжений. Энергия этих напряжений в существенной мере определяет термодинамику появления фаз и структуру гетерофазных систем, образующихся при превращениях в твердом состоянии. Новая фаза возникает в форме пластины (или системы пластин), ориентированной вдоль тех кристаллографических направлений, вдоль которых несовместимость собственных деформаций минимальна. Кроме того, образуются полидоменные фазы, представляющие собой конгломерат доменов с различными собственными деформациями. Все это есть следствие стремления понизить вклад упругой энергии в суммарную свободную энергию гетерофазной системы.

Разбиение новой фазы на структурные домены можно сравнить с аналогичным возникновением доменов в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках, где образование доменов приводит к уменьшению магнитной или электрической энергии кристалла в целом. При мартенситных переходах разбиение на домены есть следствие стремления понизить энергию собственного упругого поля кристалла.

1.3 Роль гистерезисных эффектов в процессе записи и хранения информации

Изменение оптических свойств окислов ванадия при ФПМП позволяет использовать эти соединения в системах оптической обработки информации. В частности, гистерезисные явления при ФП дают возможность сохранить записанную на пленках систему перешедших и неперешедших областей в течение длительного времени. Тем самым открывается возможность использования пленки окислов ванадия для хранения записи и информации.

Условно можно выделить два направления в получении пленок для целей хранения информации. Во-первых, это получение все более совершенных монокристаллических пленок с достаточно большими значениями коэрцитивной температуры. Величина Т_к или, что то же самое, ширина петли гистерезиса определяют требования по термостатированию образца в режиме хранения информации. Ко второму направлению следует отнести создание мелкодисперсных пленок типа ФТИРОС.

Исходя из этих тенденций, анализ условий записи, хранения и считывания информации с пленок на основе окислов естественно провести в двух предельных случаях, когда характерные размеры перешедших и неперешедших областей много и много больше характерных размеров кристаллически совершенных участков пленки.

В случае мелкодисперсных пленок процессы записи и считывания информации во многом аналогичны обычной фотографической записи. В области нагрева изменение оптических свойств оказывается пропорциональным степени нагрева, что, как легко увидев из результатов, приведенных выше, связано с широким разброс значений Т₀ и Т_к для различных микрообластей (на эксперименте наблюдается некое усредненное по большому числу микрообластей изменение оптических констант). Таким образом, при записи на пленках типа ФТИРОС можно осуществить передачу полутонов.

Слабое взаимодействие между соседними микрокристаллами в таких пленках приводит к тому, что устойчивая форма перешедших и неперешедших областей практически не зависит от параметров пленки. Это, естественно, позволяет фиксировать на пленках типа ФТИРОС изображение сложных структур.

Условия записи и считывания информации с монокристаллических и мелкодисперсных пленок во многом противоположны. Прежде всего, отметим отсутствие плавного перехода в оптических свойствах перешедшей и неперешедшей областей. Таким образом, при обычных методах записи на монокристаллических пленках невозможно получить полутона. При голографической записи регистрация синусоидального записывающего сигнала чередующимися полосами перешедшей и неперешедшей фаз должна привести к появлению искажений в восстановленном изображении.

Искажения, возникающие в монокристаллической пленке и подложке при мартенситном переходе, носят дальнодействующий характер, что во многом ограничивает возможность фиксирования на этих пленках сложных изображений. Так, свойственный мартенситным переходам эффект двойникования приводит к появлению периодической структуры из различно ориентированных доменов одной и той же фазы. В местах выхода этой структуры на поверхность пленки образуется характерная пространственная гребенка. Период двойниковой структуры определяется соотношением между поверхностной энергией границ, разделяющих двойники, и энергией напряжений и дефектов, возникающих на границе между пленкой и подложкой.

Дифракция света на такой периодической структуре также может внести существенные искажения в восстанавливаемое изображение.

Наконец, обратим внимание еще на один эффект, связанный с мартенситным характером перехода. Для каждого периода записанной решетки существует определенное соотношение между толщинами штрихов перешедшей и неперешедшей фаз. Это соотношение устанавливается сразу же после прекращения действия записывающего распределения температуры в течение характерного времени. Из-за однозначной связи между относительными толщинами штрихов и периодов решетки дифракционная эффективность решетки с различным периодом оказывается различной. При голографировании сложных объектов, когда изображение характеризуется широким набором пространственных частот, такая переменная дифракционная эффективность также может привести к искажениям в восстанавливаемом изображении.

Изложенные выше соображения позволяют сделать вывод о большой перспективности применения мелкодисперсных пленок в системах оптической записи и обработки информации. Следует, однако, заметить, что в системах битовой записи, когда на достаточно больших участках пленки регистрируется одно из возможных состояний -- перешедшее или неперешедшее -- разобранные недостатки монокристаллических пленок не влияют на качество записи.

1.4 Спектральные зависимости оптических постоянных окиснованадиевых пленок

Полученные спектральные зависимости n и б для образцов, отличающихся продолжительностью технологической обработки, приведены на рис. Сравнение величии и характера изменения оптических постоянных n и б пленки стехиометричного VO₂ и окиснованадиевой пленки показывает, что технологическими приемами можно, широко варьировать оптические свойства этих регистрирующих сред. Важной особенностью спектральных зависимостей Дn=f(л) для стехиометричных пленок VO₂ и для окиснованадиевой пленки является то, что ФПМП сопровождается непременным уменьшением показателя преломления, т. е. Дn =п_S--п_M > 0 (где М -- металлическое состояние; S -- полупроводниковое).

Предложенная регистрирующая структура, содержащая окиснованадиевую пленку, в дальнейшем изложении будет занимать одно из главенствующих мест, поэтому несколько подробнее остановимся на рассмотрении ее принципа действия и оптических характеристик. В основе действия этой структуры лежит принцип управляемого широкополосного интерференционного фильтра, работающего на отражение. В связи с этим предложили назвать ее ФТИРОС (фазово-трансформационный интерференционный реверсивный отражатель света).

Как уже отмечалось выше, конструктивно ФТИРОС выполняется на подложке из стекла, кварца, ситалла и т. д., на которую наносится отражающее зеркальное покрытие, а сверху него размещается окиснованадиевая пленка, содержащая, наряду с окислами ряда Магнели, VO₂ с нарушенной стехиометрией. Регистрирующая структура ФТИРОС представляет собой плоскопараллельный резонатор, образованный отражающими поверхностями воздух-- окиснованадиевая пленка и пленка--отражающее зеркало, расстояние между которыми может изменяться в пределах 400-1500 Е. Объем этого резонатора заполнен окиснованадиевой пленкой, в которой при нагревании выше 70° С происходит обратимое изменение оптических постоянных. Оптические свойства такой структуры качественно могут быть описаны на основании хорошо известной теории оптических резонаторов.

Согласно этой теории, указанная структура обладает бесконечным набором резонансных частот, проявляющихся в виде минимумов (или максимумов) в спектре отраженного сигнала при сканировании материала излучением с переменной частотой. Легко видеть, что при освещении структуры ФТИРОС сплошным спектром видимого света в спектре отраженного сигнала будут находиться один или несколько минимумов, обусловленные резонансными частотами.

1.5 Изменение оптических характеристик ФТИРОСа при фазовом переходе

Специфической особенностью окиснованадиевого слоя, заполняющего резонатор структуры ФТИРОС, является наличие в нем ФПМП, который происходит при температуре Т=(65-70)° С. Изменение показателя преломления и коэффициента поглощения а слоя, сопровождающее ФП, приводит к частотному сдвигу картины резонансных частот и изменению их ширины и амплитуды. Величина сдвига может быть определена:

Дн₀/н₀ = --Дn/n,

Как уже отмечалось выше, знак изменения Дn при переходе из полупроводника в металл всегда положителен, следовательно, сдвиг резонансных частот в этом случае происходит только в сторону коротких длин волн. Поскольку температурная зависимость показателя преломления окиснованадиевого слоя имеет вид петли гистерезиса, то и изменение коэффициента отражения рассматриваемой структуры для фиксированной длины волны и угла наблюдения имеет тот же характер. В общем случае форма петли гистерезиса коэффициента отражения может быть самой различной. На рис. 63 приведены экспериментальные кривые спектральной зависимости, коэффициента отражения и формы петли гистерезиса, образующиеся при различном выборе рабочей точки v₀, т. е. длины волны. Как видно из этих данных, наряду с традиционной формой петли гистерезиса коэффициента отражения, может быть получена и «необычная» петля, характеризующаяся значением температуры, в которой изменение коэффициента отражения до и после ФП равно нулю. Упрощенная модель ФТИРОСа может быть представлена в виде металлического отражающего зеркала, на котором нанесено прозрачное покрытие, способное под внешним воздействием изменять свой показатель преломления. С помощью этой модели можно объяснить некоторые поляризационные особенности спектра отраженного излучения от материала ФТИРОС. Коэффициент отражения материала ФТИРОС в зависимости от угла падения или длины волны (дисперсией окиснованадиевого слоя пренебрегаем) определяется интерференционным взаимодействием двух волн: волны, отраженной от первой границы раздела сред, и волны, отраженной от металлического зеркала. Изменяя угол падения или длину волны, как уже было сказано ранее, мы получим набор интерференционных максимумов и минимумов. Наличие петли гистерезиса оптических свойств окиснованадиевого слоя позволяет использовать рассмотренные регистрирующие среды в двух режимах: в режиме реального времени и в режиме запоминания. В первом случае регистрирующая среда находится при температуре ниже границ петли гистерезиса. Тогда оптическая информация, записанная локальным разогревом окиснованадиевого слоя, в виде участков с различными показателями преломления и коэффициента поглощения существует лишь в течение времени температурной релаксации перегретых выше Т_п участков к исходному значению. Для осуществления режима запоминания необходимо нагреть окиснованадиевый слой до температуры, величина которой лежит в пределах петли гистерезиса: 50-68° С -- для ФТИРОСа и 66-67° С -- для стехиометричных пленок VO₂. В этом случае записанная информация сохраняется в течение произвольного времени в виде металлических и полупроводниковых участков окиснованадиевого слоя. Для сохранения записанной информации необходимо постоянное поддержание температуры слоя в указанных пределах. Тот факт, что положение петли гистерезиса на шкале температур и ее ширину удается варьировать для ФТИРОСа, объясняется технологическими возможностями изменения стехиометрии входящего в состав пленки VO₂.

2. Применение диоксида ванадия

2.1 Устройства автоматики контроля

Окислы ванадия V0₂ и V₂0₃ используются для изготовления терморезисторов с резким изменением сопротивления при температуре ФП. Иногда их называют критезисторами, или критическими терморезисторами.

В СССР выпускаются терморезисторы марки СТ 8 и СТ 9 (V₂0₃ и V0₂).

Например, для СТ 9 температурный коэффициент сопротивления (ТКС) превышает в области фазового перехода ТКС обычных терморезисторов более чем в 30 раз. На рис. 5 показаны температурные зависимости сопротивления терморезисторов СТ 8 и СТ 9. Эти приборы в основном изготовляются по керамической технологии. На основе критезисторов предложены различные схемы стабилизации и регулирования температуры.

Предложен саморегулирующийся термостат из V0₂, рассчитанных на температуру примерно 66° С для стабилизации транзисторных схем, кварцевых резонаторов и т. п.

Принцип работы такого терморезистора следующий. Через критезистор пропускается стабилизированный ток такой величины, чтобы он нагрел датчик до температуры 60° С и рабочая точка оказалась на крутой части температурного хода сопротивления. Если температура окружающей среды падает, то сопротивление возрастает и выделяемая мощность увеличивается, что приводит к возрастанию температуры нагревателя. При увеличения температуры окружающей среды происходит обратное. Таким образом можно изготовить термостат с большим термостатируюшим объемом на T =66⁰C , в котором при изменении температуры окружающей среды в пределах от --60 до +50° С температура не меняется с точностью до нескольких градусов.

2.2 Термоэлектрические преобразователи электрических и оптических сигналов

Термоэлементы обычно работают в условиях, когда разность температур ДT «горячего» и «холодного» спаев близка к возможному максимуму ДT_max. Однако в случае необходимости управления параметрами материалов с фазовыми переходами (как 1-го, так и 2-го рода) необходимое значение ДT невелико.

При перекачке тепла тепловая мощность термоэлемента Q=еW, где W -- электрическая мощность. Поэтому электрическая мощность, необходимая для управления процессом фазового перехода, в е раз меньше тепловой. Это дает возможность с помощью небольшого электрического сигнала управлять разностью температур термоэлемента ДT и, следовательно, параметрами (электрическими, оптическими, магнитными и т. д.) элементов с фазовыми переходами, что позволяет преобразовывать электрические сигналы. Таким образом колебания слабых электрических сигналов могут быть усилены и преобразованы в колебания оптических, электрических или магнитных сигналов.

а) Термоэлектрический усилитель и выпрямитель малых сигналов

Мощность, необходимая для поддержания режима небольшой ДT для термоэлементов, резко снижается по сравнению с потреблением мощности в режиме ДT_max. Видно, что когда необходимая ДT на термоэлементе снижается, значение е резко возрастает. При ДT>0 эффективность преобразования будет возрастать неограниченно. Это происходит потому, что термоэлемент работает как тепловой насос: он использует тепло окружающей среды, а энергия W расходуется только на перекачку тепла Q от одного спая к другому при равной на них температуре, то есть W?0.

Особенности термоэлементов, работающих при небольшой разности температуры, позволяют создать термоэлектрический усилитель и выпрямитель малых сигналов.

Термоэлемент 1 с ветвями из сплавов на основе Вi₂Те₃ припаян к внутренней стенке термостата 4 с помощью электрически изолированного теплового контакта 6. Элемент 3 с фазовым переходом «металл- полупроводник» (или другой элемент с нелинейной характеристикой) соединен через электрически изолированный тепловой контакт 5 с рабочим спаем 2 термоэлемента 1.

Небольшой входной переменный сигнал ДU_inp подается на термоэлемент. Управляемый элемент 3 последовательно соединен с источником питания E и нагрузкой с сопротивлением r, с которой снимается выходной сигнал ДU_out.

Для усиления малых сигналов температура термостата регулировалась так, чтобы значение сопротивления R элемента 3 (рис. 3) лежало в пределах линейного участка зависимости R(T). Термоэлемент, работая в режиме малой ДT, перекачивает тепло, которое во много раз превышает мощность входного сигнала. Это значительно снижает сопротивление элемента 3 с фазовым переходом и, соответственно, приводит к значительному росту выходного сигнала ДU_out, т. е. к усилению входного сигнала ДU_inp. Таким образом можно получить усиление электрического сигнала в несколько десятков, сотен и даже более раз.

Для выпрямления сигнала устройством по схеме 3 температуру термостата регулируют так, чтобы она находилась вблизи температуры точки перегиба зависимости R(T): для элемента с фазовым переходом «металл-полупроводник» -- Т_А. Видно, что для элемента с фазовым переходом малые изменения Т вызывают существенные изменения R. В этом случае термоэлемент также работает в режиме небольшой ДT, температура его рабочего спая изменяется при изменении входного сигнала на ДU_inp и колеблется вблизи температуры точки перегиба зависимости R(T).

Выпрямление входного сигнала происходит с коэффициентом выпрямления, примерно равным разности коэффициентов усиления устройства при значениях Т, соответствующих участкам с большим и малым искривлением графика зависимости R(T). Таким образом, можно получить выпрямление небольших сигналов -- от 5 мВ. Это одно из преимуществ таких выпрямителей, поскольку полупроводниковые диоды не выпрямляют сигналы переменного напряжения величиной менее 0,5 В.

б) Термоэлектрический генератор электрических и оптических сигналов

Экспериментальная модель такого устройства показана на рис. . В его состав входят элементы из VO₂ с фазовым переходом «металл-полупроводник», сопротивление которого меняется скачкообразно, и интерференционные элементы PhTIROS-типа с одинаковой температурой фазового перехода «металл-полупроводник». Работа этого устройства заключается в следующем. Температура термостата устанавливается выше температуры фазового перехода элементов 3 и 5, 6 из полупроводникового в металлическое состояние. Первоначально элемент 3 находится в металлическом (низкоомном) состоянии. При подключении источника питания к термоэлементу через него проходит ток, и тепло Пельтье поглощается на рабочем спае. Элемент 3 является охлаждающим и переходит в полупроводниковое (высокоомное) состояние. Затем ток, проходящий через термоэлемент, резко падает, охлаждение прекращается, и устройство возвращается в металлическое состояние. Весь процесс повторяется, и таким образом обеспечиваются недемпфированные электрические колебания, которые снимаются с термоэлемента.

Температурные колебания рабочего спая термоэлемента передаются к интерференционному элементу 5, 6 PhTIROS, который находится в хорошем тепловом контакте с рабочим спаем 2. При освещении его поверхности монохроматическим излучением начинаются колебания выходного оптического сигнала. Эти колебания вызваны быстрым изменением коэффициента отражения от прямой и противоположной дорожки элемента PhTIROS с фазовым переходом «металл- полупроводник».

в) Контроль оптического сигнала с помощью электрического

Термоэлементы, работающие в режиме небольшой DT, удобно применять и для контроля интенсивности световых лучей. С помощью электрического сигнала небольшой мощности и напряжения можно контролировать широкий диапазон оптических сигналов, используя элементы PhTIROS.

Температура термостата регулируется и выбирается вблизи температуры фазового перехода элемента 3.

Переход элемента PhTIROS из фазового состояния «металл» в состояние «полупроводник» и обратно осуществляется при подаче на термоэлемент небольшого напряжения прямой или обратной полярности. При этом термоэлемент, соответственно, нагревается или охлаждается. Коэффициент отражения элемента PhTIROS в экспериментальной модели устройства составлял около 40% для температур ниже температуры фазового перехода и около 1% для температур выше фазового перехода, т. е. изменялся почти в 40 раз.

2.3 Переключающие элементы

В последнее время уделяется большое внимание изготовлению и исследованию переключающих элементов с S-образной характеристикой вольт-амперной зависимости. Предложено много материалов с S-образной характеристикой для создания элементов микросхем . Благодаря отсутствию р-п-переходов, некоторые из этих элементов просты в изготовлении и надежны в работе. Одним из наиболее удобных материалов для создания переключающих элементов является двуокись ванадия VO₂. В отличие от переключающих элементов на полупроводниковых стеклах на основе VO₂ удается получить элементы большим сроком службы . Дело в том, что образующийся после переключения шнур тока не разогревается до температуры, значительно превышающей температуру ФП (70° С). Отсутствие таких перегревов и объясняет большую стабильность переключателей из двуокиси ванадия. Действительно, с помощью инфракрасного радиометра было показано, что максимальная температура в шнуре при переключении на постоянный ток составляет 100°С.

Типичная статическая вольт-амперная характеристика переключателя из двуокиси ванадия

В самом начале участка I соблюдается закон Ома, затем наступает отклонение от линейности, связанное в основном с джоулевым нагревом. Этот участок при U_п заканчивается переключением. Участок II вольт-амперной характеристики обычно очень трудно наблюдаем (из-за нестабильности и связан с началом шнурования тока). На участке III вольт-амперной характеристики наблюдается разрастание шнура тока до своего стабильного размера, который определяется балансом между выделяемой и отводимой от него мощности.

2.4 Использование сред на основе окислов ванадия для регистрации голограмм

Одним из наиболее перспективных и важных применений сред, на основе окислов ванадия является использование их в качестве регистрирующих материалов для импульсной голографии. Как показывают результаты исследований, использование, например, ФТИРОСа именно в этом разделе современной оптики позволит в некоторой степени удовлетворить требованиям, предъявляемым, к регистрирующим средам, таким как низкая энергия записи, многоразовость использования (или реверсивность), отсутствие длительной обработки для получения и фиксирования голограмм, а также высокое отношение сигнал--шум.

а) Регистрация голограмм в режиме запоминания.

Благодаря тому что при ФП, который вызывается небольшим нагревом 10-20° С ФТИРОСа, происходит обратимое изменение его оптических постоянных n и б, оказывается возможным использование ФТИРОСа для записи оптической информации в виде голограмм.

В процессе экспонирования ФТИРОСа полем интенсивности излучение проходит в окиснованадиевый слой и, частично поглощаясь (коэффициент поглощения слоя а=0.5-10⁵ см^-1), вызывает перегрев слоя, а тем самым и ФП. В процессе экспонирования ФТИРОСа полем интенсивности происходит запись интерференционной картины (голограммы) в виде пространственных вариаций показателя преломления n и коэффициента поглощения б.

б) голография в реальном времени

2.5 Транзистор с ионной жидкостью

Специалисты IBM спроектировали новый тип транзистора, который подходит для создания нового класса энергонезависимой памяти. Этот транзистор в качестве полупроводника использует не кремний, а диоксид ванадия (VO₂). В компании создали прототип транзистора, затвор которого представляет собой канал из оксида ванадия с каплей ионной жидкости поверх металлооксидного канала. В своём естественном состоянии оксид является изолятором и не проводит электрический ток. Под воздействием внешнего электромагнитного поля ионы кислорода из капли перемещаются в оксидный слой канала. Происходит реакция по восстановлению оксида в металл. По каналу начинает течь ток. После снятия управляющего поля, что важно, канал не теряет своих свойств металла. Проявляется эффект памяти. Для поддержания транзистора в таком состоянии не требуется питания -- это один из путей к энергонезависимой памяти нового типа.
Чтобы вернуть канал в исходное состояние оксида, достаточно насытить жидкость отрицательными ионами.

На схеме вверху показано устройство с каплей ионной жидкости поверх золотых контактов интегральной схемы. Большие золотые квадраты на левой части схемы -- площадки для крепежа контактов. На увеличенном участке справа показан канал транзистора (затемнённая жёлтая область). Золотые контакты слева и справа -- это исток и сток транзистора, через который по каналу идёт управляемый ток. Четыре остальных контакта служат для измерения сопротивления и холловского напряжения.

Список литературы

1. Бугаев. А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. Фазовый переход металл-полупроводник и его применение. Л.: Наука, 1979. 182 с.

2. Э.М. Шер. Термоэлектрические преобразователи электрических и оптических сигналов - новый класс термоэлектрических устройств. Журнал «Термоэлектричество», № 1, 2007.

3. Jaewoo Jeong, Nagaphani Aetukuri, Tanja Graf, Thomas D. Schladt, Mahesh G. Samant, Stuart S. P. Parkin. Suppression of Metal-Insulator Transition in VO₂ by Electric Field-Induced Oxygen Vacancy Formation. Science, 2013.

Размещено на Allbest.ru